Прецизионный операционный усилитель на основе радиационно стойкого биполярно-полевого технологического процесса

Авторы патента:

Дворников Олег Владимирович (BY)

Бугакова Анна Витальевна (RU)

Бутырлагин Николай Владимирович (RU)

Прокопенко Николай Николаевич (RU)

H03F3/45 - дифференциальные усилители

G05D1/00 - Системы управления или регулирования неэлектрических величин (для непрерывного литья металлов B22D 11/16; клапаны как таковые F16K; индикация неэлектрических переменных величин см. в соответствующих подклассах класса G01; регулирование электрических и магнитных переменных величин G05F)

Владельцы патента RU 2568384:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат заключается в уменьшении напряжения смещения нуля для повышения прецизионности операционного усилителя. Технический результат достигается за счет прецизионного операционного усилителя на основе радиационно стойкого биполярно-полевого технологического процесса, который содержит входной дифференциальный каскад (1), общая эмиттерная цепь которого согласована с первой (2) шиной источника питания, первый (3) токовый выход входного дифференциального каскада (1), эмиттер первого (4) выходного транзистора, первый (5) вспомогательный резистор, вторую (6) шину источника питания, второй (7) токовый выход входного дифференциального каскада (1), эмиттер второго (8) выходного транзистора, второй (9) вспомогательный резистор, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, выходной буферный усилитель (12). В схему введены первый (13) и второй (14) дополнительные полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и дополнительное токовое зеркало (16). 8 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) на полевых и биполярных транзисторах, выполненные на основе архитектуры «перегнутого каскода» [1-14]. Их основные достоинства - расширенный частотный диапазон, а также эффективное использование напряжения питания.

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно стойкие ОУ с малым напряжением смещения нуля (U_см) и повышенным коэффициентом усиления по напряжению (100-120 дБ). Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [15], обеспечивающего формирование p-канальных полевых и высококачественных n-p-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 10¹³ н/см². Однако для таких ОУ необходима специальная схемотехника, учитывающая ограничения биполярно-полевой технологии [15].

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 5.422.600 fig. 1. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 2 шиной источника питания, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером первого 4 выходного транзистора и через первый 5 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером второго 8 выходного транзистора и через второй 9 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 4 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, выходной буферный усилитель 12, причем базы первого 4 и второго 8 выходных транзисторов связаны друг с другом.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что в диапазоне рабочих, прежде всего низких температур, а также при воздействии потока нейтронов он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля (U_см) (единицы-десятки милливольт). В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ. Кроме этого его коэффициент усиления по напряжению (K_у) получается небольшим.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля.

Первая дополнительная задача - повышение коэффициента усиления дифференциального сигнала ОУ в разомкнутом состоянии до уровня 130-140 дБ.

Вторая дополнительная задача - повышение коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ОУ.

Поставленные задачи достигаются тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 2 шиной источника питания, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером первого 4 выходного транзистора и через первый 5 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером второго 8 выходного транзистора и через второй 9 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 4 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, выходной буферный усилитель 12, причем базы первого 4 и второго 8 выходных транзисторов связаны друг с другом, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, объединенные истоки которых связаны с базами первого 4 и второго 8 выходных транзисторов и подключены к первой 2 шине источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 15, сток первого 13 дополнительного полевого транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала 16, согласованного со второй 6 шиной источника питания, а сток второго 14 дополнительного полевого транзистора соединен с выходом дополнительного токового зеркала 16 и входом выходного буферного усилителя 12.

На фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 показана схема фиг. 2 с конкретным выполнением выходного буферного усилителя 12.

На фиг. 4 приведена схема ОУ фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 5 представлена амплитудно-частотная характеристика ОУ фиг. 4 при 100% отрицательной обратной связи.

На фиг. 6 показана амплитудно-частотная характеристика разомкнутого ОУ фиг. 4, из которой следует, что предлагаемая схема фиг.4 имеет повышенный коэффициент усиления по напряжению, близкий к 140 дБ (Kу=100.000.000).

На фиг. 7 приведена зависимость напряжения смещения нуля (U_см) схемы ОУ фиг. 4 от потока нейтронов.

На фиг. 8 показана зависимость напряжения смещения нуля схемы ОУ фиг. 4 в диапазоне температур от -60÷+80°C.

Прецизионный операционный усилитель на основе радиационно стойкого биполярно-полевого технологического процесса фиг. 2 содержит входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 2 шиной источника питания, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером первого 4 выходного транзистора и через первый 5 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход входного дифференциального каскада 1, соединенный с эмиттером второго 8 выходного транзистора и через второй 9 вспомогательный резистор связанный со второй 6 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 4 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 2 шиной источника питания, выходной буферный усилитель 12, причем базы первого 4 и второго 8 выходных транзисторов связаны друг с другом. В схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, объединенные истоки которых связаны с базами первого 4 и второго 8 выходных транзисторов и подключены к первой 2 шине источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 15, сток первого 13 дополнительного полевого транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала 16, согласованного со второй 6 шиной источника питания, а сток второго 14 дополнительного полевого транзистора соединен с выходом дополнительного токового зеркала 16 и входом выходного буферного усилителя 12.

Кроме этого на фиг. 2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на входных полевых транзисторах 17 и 18, источнике опорного тока 19 и резисторе 20, который моделирует работу входного дифференциального каскада 1 при работе с входными синфазными сигналами. Выходом устройства 21 является выход буферного усилителя 12.

На фиг. 3 приведена схема, соответствующая фиг. 2, в которой инвертирующий выходной буферный усилитель 12 реализован в виде выходного транзистора 22 по схеме с общим эмиттером, источника тока 23 и неинвертируюшего каскада 24.

Рассмотрим работу ОУ фиг. 2.

Статический режим транзисторов схемы фиг. 2 устанавливается источниками опорного тока, выполненными в виде токостабилизирующих двухполюсников 10, 11 и 19. При этом токи стока и токи коллекторов транзисторов схемы определяются уравнениями

где I₁₀, I₁₁, I₁₉ - токи двухполюсников 10, 11, 19.

Коэффициент усиления по напряжению схемы ОУ фиг. 2 определяется произведением

где u_вых. - приращение выходного напряжения ОУ, вызванное изменением входного напряжения (u_вх.);

- коэффициент преобразования входного напряжения ОУ (u_вх) в напряжение между узлами Σ1, Σ2 (u_Σ1-Σ2);

- коэффициент передачи дифференциального напряжения между узлами Σ1, Σ2 на вход буферного усилителя 12 (Σ₃);

u_Σ1-Σ2 - приращение напряжения между высокоимпедансными узлами Σ1 и Σ2;

- коэффициент передачи по напряжению буферного усилителя 12;

u_Σ3 - приращение напряжения в высокоимпедансном узле Σ3.

Причем

где R_{экв.Σ1-Σ2} - эквивалентное дифференциальное сопротивление между высокоимпедансными узлами Σ1 и Σ2;

R_экв.Σ3 - эквивалентное сопротивление в высокоимпедансном узле Σ3;

S₁₃, S₁₄, S₁₇, S₁₈ - крутизны стоко-затворной характеристики соответствующих полевых транзисторов (13, 14, 17, 18).

Численное значение эквивалентного сопротивления R_экв._Σ1-Σ2 близко к сопротивлениям закрытых коллекторов переходов выходных транзисторов 4 и 8, а сопротивление R_экв._Σ3 определяется, в основном, входным сопротивлением буферного усилителя 12. Как следствие, за счет создания в схеме фиг. 2 трех высокоимпедансных узлов (Σ1, Σ2, Σ3) коэффициент усиления по напряжению разомкнутого ОУ фиг. 2 получается достаточно большим (130-140 дБ) и на несколько порядков превышает K_у схемы прототипа (фиг. 1).

В заявляемой схеме ОУ (в сравнении с прототипом) повышается также коэффициент ослабления входных синфазных сигналов. Данный эффект объясняется повышенной симметрией схемы ОУ фиг. 2 и введением отрицательной обратной связи по синфазному сигналу (транзисторы 13 и 14). За счет высокой симметрии схемы ОУ и применения полевых транзисторов 13, 14 напряжение смещения нуля заявляемого ОУ измеряется микровольтами (фиг. 7, фиг. 8).

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ОУ-прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5.422.600, фиг. 2.

2. Патент США №4.406.990, фиг. 4.

3. Патент США №5.952.882.

4. Патент США №4.723.111.

5. Патент США №4.293.824.

6. Патент США №5.323.121.

7. Патент США №5.420.540 fig. 1.

8. Патент RU №2.354.041 С1.

9. Патентная заявка США №2003/0201828 fig 1, fig 2.

10. Патент США №6.825.721 fig 1, fig 2.

11. Патент США №6.542.030 fig. 1.

12. Патент US 6.456.162, fig. 2.

13. Патент US 6.501.333.

14. Патент US 6.717.466.

15. Элементная база радиационно стойких информационно-измерительных систем: монография. / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский; под общ. ред. д.т.н. проф. Н.Н. Прокопенко; ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - 208 с.

Прецизионный операционный усилитель на основе радиационно стойкого биполярно-полевого технологического процесса, содержащий входной дифференциальный каскад (1), общая эмиттерная цепь которого согласована с первой (2) шиной источника питания, первый (3) токовый выход входного дифференциального каскада (1), соединенный с эмиттером первого (4) выходного транзистора и через первый (5) вспомогательный резистор связанный со второй (6) шиной источника питания, второй (7) токовый выход входного дифференциального каскада (1), соединенный с эмиттером второго (8) выходного транзистора и через второй (9) вспомогательный резистор связанный со второй (6) шиной источника питания, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (4) выходного транзистора и первой (2) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (8) выходного транзистора и первой (2) шиной источника питания, выходной буферный усилитель (12), причем базы первого (4) и второго (8) выходных транзисторов связаны друг с другом, отличающийся тем, что в схему введены первый (13) и второй (14) дополнительные полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, объединенные истоки которых связаны с базами первого (4) и второго (8) выходных транзисторов и подключены к первой (2) шине источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (15), сток первого (13) дополнительного полевого транзистора соединен со входом дополнительного токового зеркала (16), согласованного со второй (6) шиной источника питания, а сток второго (14) дополнительного полевого транзистора соединен с выходом дополнительного токового зеркала (16) и входом выходного буферного усилителя (12).

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат заключается в уменьшении абсолютного значения Uсм, а также его температурных и радиационных изменений, обусловленных дрейфом β транзисторов.

Широкополосная цепь смещения статического уровня в транзисторных каскадах усиления и преобразования сигналов // 2568317

Изобретение относится к области усилителей аналоговых ВЧ и СВЧ сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот цепи смещения статического уровня.

Мультидифференциальный усилитель для радиационно стойкого биполярно-полевого технологического процесса // 2566964

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат заключается в создании радиационно стойкого симметричного мультидифференциального усилителя для биполярно-полевого технологического процесса с повышенным коэффициентом усиления входного дифференциального сигнала.

Избирательный усилитель с высоким асимптотическим затуханием в диапазоне дорезонансных частот // 2566960

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в расширении допустимого диапазона частот квазирезонанса f0, зависящего от численных значений сопротивления первого частотозадающего резистора.

Токовое зеркало с пониженным выходным напряжением // 2543313

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано в качестве источника тока или высокоомной нагрузки усилителя в структуре аналоговых микросхем и блоков различного функционального назначения.

Управляемый избирательный усилитель // 2543298

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации и т.п. Техническим результатом является уменьшение общего энергопотребления за счет повышения добротности АЧХ ИУ и его коэффициента усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса f0.

Составной транзистор с малой выходной емкостью // 2536672

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в уменьшении эквивалентной выходной емкости составного транзистора.

Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов // 2534972

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для прецизионного усиления по мощности аналоговых сигналов, в структурах неинвертирующих усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения, в том числе ВЧ- и СВЧ-диапазонов.

Управляемый усилитель и аналоговый смеситель сигналов // 2530259

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах умножения частоты.

Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном // 2525744

Изобретение относится к области радиотехники, а конкретно к управляемым избирательным усилителям. Технический результат заключается в расширение частотного диапазона избирательного усилителя.

Способ адаптивно-маршрутного управления пилотируемым летательным аппаратом // 2568161

Изобретение относится к автоматизированным системам управления и может быть использовано в интересах повышения эффективности преодоления пилотируемыми летательными аппаратами (ЛА) зоны действия наземных средств противовоздушной обороны.

Подъемно-транспортная машина // 2568046

Изобретение относится к подъемно-транспортным машинам. Подъемно-транспортная машина содержит силовой агрегат, приспособления для подъема груза, датчик нагрузки, не менее двух детекторов препятствий, контроллер.

Способ и система использования отличительных ориентиров для определения местонахождения промышленных транспортных средств в начале работы // 2565011

Группа изобретений относится к способам использования отличительных ориентиров для определения местонахождения промышленных транспортных средств в начале их работы.

Маневры при управлении поворотом погрузочно-разгрузочных транспортных средств // 2564928

Заявленная группа изобретений относится к способам управления погрузочно-разгрузочных транспортных средств. При способе автоматического осуществления погрузочно-разгрузочным транспортным средством корректирующего маневра поворота принимают контроллером данные датчиков сенсорных устройств, определяют наличие объекта в пространстве, дальность положения объекта относительно опорной координаты, либо относительно транспортного средства, либо связанной с транспортным средством определенным образом, автоматически осуществляют корректирующий поворот путем увода поворотом транспортного средства от обнаруженного объекта на определенный угол.

Системы и способы для дистанционно взаимодействующих транспортных средств // 2564628

Изобретение относится к дистанционному управлению транспортным средством. Технический результат - эффективное управление транспортным средством.

Система терморегулирования космического аппарата // 2564286

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), преимущественно телекоммуникационных спутников. СТР таких КА содержит одинаковые дублированные жидкостные контуры теплоносителя.

Способ управления беспилотным летательным аппаратом // 2562890

Изобретение относится к способам управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА). При способе передают команды управления движением БПЛА, данные о координатах и параметрах его движения через основной спутниковый канал связи со стационарного или подвижного пункта управления, учитывают компенсацию задержки в канале передачи команд управления, определяют динамические характеристики воздействия на систему управления БПЛА, формируют двух- или трехмерное изображение воздушной обстановки на экране монитора автоматизированного рабочего места оператора пункта управления.

Способ повышения безопасности полета при отказе двигателя // 2562673

Изобретение относится к области летательных аппаратов. Способ повышения безопасности полета летательного аппарата при отказе двигателя, работающего в момент отказа на максимальном или форсажном режиме и расположенного на той плоскости крыла, на которую у летательного аппарата имеется увеличивающийся угол крена, основан на использовании аэродинамических поверхностей.

Бортовая информационная система транспортного средства // 2560225

Бортовая информационная система транспортного средства содержит электронный блок (1), миниатюрные видеокамеры (2, 3, 4, 5), коммутатор (6), блок хранения цифровой информации (7), блок распознавания знаков (8) и радар (9), спутниковый навигатор (10), блок памяти (11), устройство управления скоростью движения (12), устройство управления направлением движения (13), устройство управления тормозной системой (14), передающее устройство (15).

Система управления космического аппарата // 2560204

Изобретение относится к системам автоматического управления (САУ) авиационно-космическими объектами, работающими, главным образом, в экстремальных условиях внешней среды.

Безопасная вынужденная посадка беспилотного летательного аппарата // 2568510

Группа изобретений относится к беспилотному летательному аппарату (БПЛА), содержащему систему безопасной вынужденной посадки, которая реализует способ безопасной вынужденной посадки при отказе двигателя. При способе безопасной вынужденной посадки БПЛА формируют круговую траекторию захода на посадку, содержащую участки полета до и после разворота, направляют БПЛА в определенную точку начала траектории до разворота после выработки траектории ожидания и точек перехода вдоль маршрута ожидания и точки выхода из нее, на основании величины качества планирующего спуска, посредством итеративного определения этой величины до сходимости к определенному значению, многократно определяют точку разворота, точку приземления и расхождение между точкой приземления, определенной ранее, в соответствии с ранее определенной точкой разворота, и указанной выбранной точкой приземления. После разворота направляют БПЛА по траектории захода на посадку в соответствии с выбранной точкой приземления. Обеспечивается безопасная вынужденная посадка БПЛА в выбранной точке приземления при отказе двигателя. 3 н.п. и 21 з.п. ф-лы, 8 ил.