RU2792710C1 - Multichannel differential amplifier based on gallium arsenide field-effect and bipolar transistors - Google Patents
Multichannel differential amplifier based on gallium arsenide field-effect and bipolar transistors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2792710C1 RU2792710C1 RU2022107167A RU2022107167A RU2792710C1 RU 2792710 C1 RU2792710 C1 RU 2792710C1 RU 2022107167 A RU2022107167 A RU 2022107167A RU 2022107167 A RU2022107167 A RU 2022107167A RU 2792710 C1 RU2792710 C1 RU 2792710C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- field
- effect
- power supply
- current
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве малошумящего устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, в арсенид-галлиевых операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п., 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 microcircuits for various functional purposes, for example, in gallium arsenide operational amplifiers (op-amps), comparators, etc., incl. operating in a wide range of temperatures and exposure to radiation.
Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) на полевых транзисторах с управляющим р-n переходом (JFet) [1-15], которые стали основой многих аналоговых микросхем.Known schemes of classical differential amplifiers (DU) on field-effect transistors with a control p-n junction (JFet) [1-15], which became the basis of many analog microcircuits.
Для работы в широком диапазоне температур при жестких ограничениях на уровень шумов перспективно использование арсенид-галлиевых полевых транзисторов (JFet) [16]. Дифференциальные усилители данного класса активно применяются в структуре малошумящих аналоговых интерфейсов для обработки сигналов датчиков [16].For operation in a wide temperature range with severe restrictions on the noise level, the use of gallium arsenide field-effect transistors (JFets) is promising [16]. Differential amplifiers of this class are actively used in the structure of low-noise analog interfaces for processing sensor signals [16].
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель по патенту RU 2488954, 2013 г., который содержит первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 и второй 4 токовые выходы устройства, согласованные с первой 5 шиной источника питания, первый 6 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым 1 входом устройства, исток подключен к эмиттеру первого 7 выходного биполярного транзистора, второй 8 входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым 2 входом устройства, исток подключен к эмиттеру второго 9 выходного биполярного транзистора, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 7 выходного биполярного транзистора и второй 11 шиной источника питания, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 9 выходного биполярного транзистора и второй 11 шиной источника питания, причем базы первого 7 и второго 9 выходных биполярных транзисторов соединены друг с другом.The closest prototype (Fig. 1) of the proposed device is a differential amplifier according to patent RU 2488954, 2013, which contains the first 1 and second 2 inputs of the device, the first 3 and second 4 current outputs of the device, matched with the first 5 power supply bus, the first 6 input field effect transistor, the gate of which is connected to the first 1 input of the device, the source is connected to the emitter of the first 7 output bipolar transistor, the second 8 input field effect transistor, the gate of which is connected to the second 2 input of the device, the source is connected to the emitter of the second 9 output bipolar transistor, the first 10 a current-stabilizing two-terminal connected between the collector of the first 7 output bipolar transistor and the second 11 power supply bus, the second 12 current-stabilizing two-terminal connected between the collector of the second 9 output bipolar transistor and the second 11 power supply bus, the bases of the first 7 and second 9 output bipolar transistors are connected to each other with a friend .
Существенный недостаток известного ДУ фиг. 1 состоит в том, что при его реализации в рамках арсенид-галлиевых технологических процессов его крутизна усиления оказывается небольшой (особенно при работе входных транзисторов в микрорежиме). Прежде всего, это связано с малыми значениями крутизны GaAs JFET.A significant drawback of the known control of Fig. 1 is that when it is implemented within the framework of gallium arsenide technological processes, its gain slope turns out to be small (especially when input transistors operate in micromode). First of all, this is due to the small values of the slope of the GaAs JFET.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых в ДУ фиг. 1 обеспечивается увеличение крутизны усиления при работе GaAs полевых и GaAs биполярных транзисторов с малыми статическими токами.The main objective of the proposed invention is to create conditions under which in the PS of Fig. 1 provides an increase in the gain slope when operating GaAs field-effect and GaAs bipolar transistors with low static currents.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 и второй 4 токовые выходы устройства, согласованные с первой 5 шиной источника питания, первый 6 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым 1 входом устройства, исток подключен к эмиттеру первого 7 выходного биполярного транзистора, второй 8 входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым 2 входом устройства, исток подключен к эмиттеру второго 9 выходного биполярного транзистора, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 7 выходного биполярного транзистора и второй 11 шиной источника питания, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 9 выходного биполярного транзистора и второй 11 шиной источника питания, причем базы первого 7 и второго 9 выходных биполярных транзисторов соединены друг с другом, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 выходные полевые транзисторы, истоки которых объединены и подключены к базам первого 7 и второго 9 выходных биполярных транзисторов, а также связаны со второй 11 шиной источника питания через третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, стоки первого 6 и второго 8 входных полевых транзисторов согласованы с первой 5 шиной источника питания, причем сток первого 13 выходного полевого транзистора соединен с первым 3 токовым выходом устройства, а сток второго 14 выходного полевого транзистора соединен со вторым 4 токовым выходом устройства.The problem is solved by the fact that in the differential amplifier of Fig. 1, containing the first 1 and second 2 inputs of the device, the first 3 and second 4 current outputs of the device, matched with the first 5 power supply bus, the first 6 input field-effect transistor, the gate of which is connected to the first 1 input of the device, the source is connected to the emitter of the first 7 output bipolar transistor, the second 8 input field-effect transistor, the gate of which is connected to the second 2 input of the device, the source is connected to the emitter of the second 9 output bipolar transistor, the first 10 current-stabilizing bipolar connected between the collector of the first 7 output bipolar transistor and the second 11 power supply bus, the second 12 a current-stabilizing two-pole connected between the collector of the second 9 output bipolar transistor and the second 11 power supply bus, and the bases of the first 7 and second 9 output bipolar transistors are connected to each other, new elements and connections are provided - the first 13 and second 14 output field-effect transistors are introduced into the circuit , whose origins combined and connected to the bases of the first 7 and second 9 output bipolar transistors, and also connected to the second 11 power supply bus through the third 15 current-stabilizing bipolar, the drains of the first 6 and second 8 input field-effect transistors are matched with the first 5 power supply bus, and the drain of the first 13 output field effect transistor is connected to the first 3 current output of the device, and the drain of the second 14 output field effect transistor is connected to the second 4 current output of the device.
На чертеже фиг. 1 показана схема ДУ-прототипа по патенту RU 2488954, 2013 г. In the drawing of FIG. 1 shows a diagram of a remote control prototype according to patent RU 2488954, 2013.
На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого многоканального дифференциального усилителя на арсенид-галлиевых полевых и биполярных транзисторах в соответствии с п. 1 формулы изобретения.In the drawing of FIG. 2 shows a diagram of the inventive multi-channel differential amplifier based on gallium arsenide field-effect and bipolar transistors in accordance with
На чертеже фиг. 3 приведена схема заявляемого многоканального BiJFET дифференциального усилителя в структуре GaAs операционного усилителя, соответствующая п. 2 формулы изобретения.In the drawing of FIG. 3 shows a diagram of the inventive multichannel BiJFET differential amplifier in the GaAs structure of the operational amplifier, corresponding to
На чертеже фиг. 4 показан статический режим ОУ фиг. 3 в среде LTspice на моделях GaAs полевых и биполярных транзисторов при I1=I2=I3=I4=500 мкА.In the drawing of FIG. 4 shows the static mode of the op amp of FIG. 3 in the LTspice environment on models of GaAs field-effect and bipolar transistors at I 1 =I 2 =I 3 =I 4 =500 μA.
На чертеже фиг. 5 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 4 при I1=I2=I3=I4=500 мкА.In the drawing of FIG. 5 shows the amplitude-frequency characteristic of the voltage gain of the op-amp of FIG. 4 at I 1 =I 2 =I 3 =I 4 =500 uA.
Многоканальный дифференциальный усилитель на арсенид-галлиевых полевых и биполярных транзисторах фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 и второй 4 токовые выходы устройства, согласованные с первой 5 шиной источника питания, первый 6 входной полевой транзистор, затвор которого соединен с первым 1 входом устройства, исток подключен к эмиттеру первого 7 выходного биполярного транзистора, второй 8 входной полевой транзистор, затвор которого соединен со вторым 2 входом устройства, исток подключен к эмиттеру второго 9 выходного биполярного транзистора, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 7 выходного биполярного транзистора и второй 11 шиной источника питания, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 9 выходного биполярного транзистора и второй 11 шиной источника питания, причем базы первого 7 и второго 9 выходных биполярных транзисторов соединены друг с другом. В схему введены первый 13 и второй 14 выходные полевые транзисторы, истоки которых объединены и подключены к базам первого 7 и второго 9 выходных биполярных транзисторов, а также связаны со второй 11 шиной источника питания через третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, стоки первого 6 и второго 8 входных полевых транзисторов согласованы с первой 5 шиной источника питания, причем сток первого 13 выходного полевого транзистора соединен с первым 3 токовым выходом устройства, а сток второго 14 выходного полевого транзистора соединен со вторым 4 токовым выходом устройства.Multichannel differential amplifier based on gallium arsenide field-effect and bipolar transistors Fig. 2 contains the first 1 and second 2 inputs of the device, the first 3 and second 4 current outputs of the device, matched with the first 5 power supply bus, the first 6 input field-effect transistor, the gate of which is connected to the first 1 input of the device, the source is connected to the emitter of the first 7 output bipolar transistor, the second 8 input field-effect transistor, the gate of which is connected to the second 2 input of the device, the source is connected to the emitter of the second 9 output bipolar transistor, the first 10 current-stabilizing bipolar connected between the collector of the first 7 output bipolar transistor and the second 11 power supply bus, the second 12 current-stabilizing bipolar connected between the collector of the second 9 output bipolar transistor and the second 11 power supply bus, and the bases of the first 7 and second 9 output bipolar transistors are connected to each other. The first 13 and second 14 output field-effect transistors are introduced into the circuit, the sources of which are combined and connected to the bases of the first 7 and second 9 output bipolar transistors, and are also connected to the second 11 power supply bus through the third 15 current-stabilizing two-pole, the drains of the first 6 and second 8 input field-effect transistors are matched with the first 5 bus of the power source, and the drain of the first 13 output field-effect transistor is connected to the first 3 current output of the device, and the drain of the second 14 output field-effect transistor is connected to the second 4 current output of the device.
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 3 токовый выход устройства соединен с коллектором первого 16 дополнительного биполярного транзистора, который подключен к базе первого 16 дополнительного биполярного транзистора и базе второго 17 дополнительного биполярного транзистора, коллектор второго 17 дополнительного биполярного транзистора соединен со вторым 4 токовым выходом устройства и базой третьего 18 дополнительного биполярного транзистора, коллектор которого через четвертый 19 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 11 шиной источника питания и подключен ко входу буферного усилителя 20, выход которого 21 является потенциальным выходом устройства, причем эмиттеры первого 16, второго 17 и третьего 18 дополнительных биполярных транзисторов связаны с первой 5 шиной источника питания.In the drawing of FIG. 3, in accordance with
Устойчивость ОУ фиг. 3 обеспечивается корректирующим конденсатором 22.The stability of the OS of Fig. 3 is provided by a
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, численные значения токов третьего 15 и четвертого 19 токостабилизирующих двухполюсников приблизительно одинаковы.In the drawing of FIG. 3, in accordance with
Рассмотрим работу ДУ в структуре фиг. 3.Consider the operation of the remote control in the structure of Fig. 3.
В статическом режиме при 100% отрицательной обратной связи в схеме ОУ фиг.3 устанавливаются следующие статические токи:In static mode, with 100% negative feedback, the following static currents are set in the op-amp circuit of Fig.3:
где Iиi (Ici) - ток истока (стока) i-го полевого транзистора;where I ii (I ci ) is the source (drain) current of the i-th field-effect transistor;
I0 - статический ток первого 10 и второго 12 токостабилизирующих двухполюсников;I 0 - static current of the first 10 and second 12 current-stabilizing two-pole;
Iбn - ток базы первого 7, второго 9 выходных биполярных транзисторов, первого 16, второго 17 и третьего 18 дополнительных биполярных транзисторов;I bn - base current of the first 7, second 9 output bipolar transistors, first 16, second 17 and third 18 additional bipolar transistors;
βn - коэффициент усиления по току базы первого 7, второго 9 выходных биполярных транзисторов, первого 16, второго 17 и третьего 18 дополнительных биполярных транзисторов при одинаковых токах эмиттера.β n - current gain of the base of the first 7, second 9 output bipolar transistors, first 16, second 17 and third 18 additional bipolar transistors at the same emitter currents.
Из уравнений (1)-(5) следует, что в схеме фиг.3 в высокоимпеданском узле Σ2 (4) обеспечивается полная взаимная компенсация всех «втекающих» и «вытекающих» токов, что является необходимым условием уменьшения систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм) ОУ фиг. 3, приведенной к его входам. Данный теоретический вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования фиг. 4, из которых следует, что систематическая составляющая напряжения смещения нуля ОУ фиг. 3 Uсм≈1,12 мкВ (без учета разброса параметров элементов схемы).From equations (1)-(5) it follows that in the circuit of Fig.3 in the high-impedance node Σ 2 (4) full mutual compensation of all "incoming" and "outgoing" currents is provided, which is a necessary condition for reducing the systematic component of the zero bias voltage ( U cm ) OU fig. 3 given to its inputs. This theoretical conclusion is confirmed by the results of computer simulation of Fig. 4, from which it follows that the systematic component of the OA zero bias voltage of FIG. 3 U cm ≈1.12 μV (without taking into account the spread of the parameters of the circuit elements).
Особенность схемы фиг. 3 - наличие четырех высокоимпедансных узлов Σ1, Σ2, Σ3, Σ4, что обеспечивает повышенный коэффициент усиления разомкнутого ОУ около 140 дБ (см. фиг. 5), что достаточно для многих применений.A feature of the circuit in Fig. 3 - the presence of four high-impedance nodes Σ 1 , Σ 2 , Σ 3 , Σ 4 , which provides an increased open-loop gain of about 140 dB (see Fig. 5), which is sufficient for many applications.
В соответствии с п. 3 формулы изобретения, а также формулами (1)-(5), предлагаемый многоканальный дифференциальный усилитель на арсенид-галлиевых полевых и биполярных транзисторах обеспечивает малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля (фиг. 4) при условии, что численные значения токов третьего 15 и четвертого 19 токостабилизирующих двухполюсников одинаковы.In accordance with
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ДУ-прототипом, что позволяет рекомендовать его для практического использования в аналоговых GaAs схемах.Thus, the claimed device has significant advantages in comparison with the DU prototype, which allows us to recommend it for practical use in analog GaAs circuits.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКREFERENCES
1. Патент RU 2710296, 2019 г. 1. Patent RU 2710296, 2019
2. Авт.св. СССР 537435, 1976 г. 2. Auto light USSR 537435, 1976
3. Патентная заявка RU 2020134402, 2020 г. 3. Patent application RU 2020134402, 2020
4. Патент US 5.291.149, fig. 3,1994 г. 4. Patent US 5.291.149, fig. 3.1994
5. Патент RU 2679970, fig. 2, 2019 г. 5. Patent RU 2679970, fig. 2, 2019
6. Патент RU 2624565, fig. 1,2016 г. 6. Patent RU 2624565, fig. 1.2016
7. Патент RU 2571399, fig. 2, 2014 г. 7. Patent RU 2571399, fig. 2, 2014
8. Авт.св. СССР 437193, 1972 г. 8. Auto. USSR 437193, 1972
9. Патентная заявка US 2006/01255222, 2006 г. 9. Patent application US 2006/01255222, 2006
10. Патент US 4.121.169, fig. 5, fig. 6,1978 г. 10. Patent US 4.121.169, fig. 5, fig. 6.1978
11. Патент US 9.668.045, 2017 г. 11. Patent US 9.668.045, 2017
12. Патент US 9.888.315, 2018 г. 12. Patent US 9.888.315, 2018
13. Патент US 9.167.327, 2015 г. 13. Patent US 9.167.327, 2015
14. Патент ЕР 0293488, fig. 1, 1988 г. 14. Patent EP 0293488, fig. 1, 1988
15. Патент US 5.166.553, fig. 14,1992 г. 15. Patent US 5.166.553, fig. 14.1992
16. Shur, Michael S., "GaAs Devices and Circuits", Springer Science+Business Media, New York, 1987, 677 p. DOI 10.1007/978-1-4899-1989-2.16. Shur, Michael S., "GaAs Devices and Circuits", Springer Science+Business Media, New York, 1987, 677 p. DOI 10.1007/978-1-4899-1989-2.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2792710C1 true RU2792710C1 (en) | 2023-03-23 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU537435A1 (en) * | 1973-05-22 | 1976-11-30 | Ордена Ленина Институт Проблем Управления | Differential amplifier |
| US4121169A (en) * | 1976-01-19 | 1978-10-17 | Nippon Gakki Seizo Kabushiki Kaisha | Amplifier device |
| RU2488954C1 (en) * | 2012-08-15 | 2013-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Differential amplifier with zero level of output static voltages |
| US9167327B1 (en) * | 2009-10-09 | 2015-10-20 | Cloud Microphones, Inc. | Microphone with rounded magnet motor assembly, backwave chamber, and phantom powered JFET circuit |
| US9668045B1 (en) * | 2009-10-09 | 2017-05-30 | Rodger Cloud | Integrated phantom-powered JFET circuit module in portable electronic device for creating hi-fidelity sound characteristics |
| RU2710296C1 (en) * | 2019-10-03 | 2019-12-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Differential cascade on complementary jfet field-effect transistors with high attenuation of input in-phase signal |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU537435A1 (en) * | 1973-05-22 | 1976-11-30 | Ордена Ленина Институт Проблем Управления | Differential amplifier |
| US4121169A (en) * | 1976-01-19 | 1978-10-17 | Nippon Gakki Seizo Kabushiki Kaisha | Amplifier device |
| US9167327B1 (en) * | 2009-10-09 | 2015-10-20 | Cloud Microphones, Inc. | Microphone with rounded magnet motor assembly, backwave chamber, and phantom powered JFET circuit |
| US9668045B1 (en) * | 2009-10-09 | 2017-05-30 | Rodger Cloud | Integrated phantom-powered JFET circuit module in portable electronic device for creating hi-fidelity sound characteristics |
| RU2488954C1 (en) * | 2012-08-15 | 2013-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Differential amplifier with zero level of output static voltages |
| RU2710296C1 (en) * | 2019-10-03 | 2019-12-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Differential cascade on complementary jfet field-effect transistors with high attenuation of input in-phase signal |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2710917C1 (en) | Analogue microcircuit output cascade on complementary field-effect transistors with control p-n junction | |
| US20060139096A1 (en) | Apparatus and method for biasing cascode devices in a differential pair using the input, output, or other nodes in the circuit | |
| Torfifard et al. | A Power‐Efficient CMOS Adaptive Biasing Operational Transconductance Amplifier | |
| RU2792710C1 (en) | Multichannel differential amplifier based on gallium arsenide field-effect and bipolar transistors | |
| RU2346388C1 (en) | Differential amplifier | |
| RU2624585C1 (en) | Low temperature radiation resistant multidifferencial operation amplifier | |
| RU2615068C1 (en) | Bipolar-field differential operational amplifier | |
| RU2321159C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
| RU2416155C1 (en) | Differential operating amplifier | |
| RU2770912C1 (en) | Differential amplifier on arsenide-gallium field-effect transistors | |
| RU2595927C1 (en) | Bipolar-field operational amplifier | |
| RU2710846C1 (en) | Composite transistor based on complementary field-effect transistors with control p-n junction | |
| RU2784666C1 (en) | Gallium arsenide operational amplifier with a low zero-bias voltage | |
| RU2621289C1 (en) | Two-stage differential operational amplifier with higher gain | |
| RU2687161C1 (en) | Buffer amplifier for operation at low temperatures | |
| RU2786941C1 (en) | Differential cascade on complementary field-effect transistors | |
| RU2770915C1 (en) | Differential amplifier with increased slope on field-effect transistors | |
| RU2416149C1 (en) | Differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
| RU2813140C1 (en) | Gallium arsenide operational amplifier | |
| RU2411636C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
| RU2780220C1 (en) | Operational amplifier based on two-stroke "inverse" cascode and complementary fet-steristors with control pn-junction | |
| RU2812914C1 (en) | Low offset gallium arsenide op amp | |
| RU2411637C1 (en) | Precision operational amplifier with low voltage of zero shift | |
| RU2773907C1 (en) | Operational amplifier based on "inverted" cascode and complementary field transistors | |
| RU2815912C1 (en) | Resistorless gallium arsenide differential cascade and operational amplifier based on it with low zero offset voltage |