Мультидифференциальный операционный усилитель



Мультидифференциальный операционный усилитель
Мультидифференциальный операционный усилитель
Мультидифференциальный операционный усилитель
Мультидифференциальный операционный усилитель
Мультидифференциальный операционный усилитель
Мультидифференциальный операционный усилитель
Мультидифференциальный операционный усилитель
Мультидифференциальный операционный усилитель
Мультидифференциальный операционный усилитель

 


Владельцы патента RU 2621287:

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

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат - уменьшение напряжения смещения нуля, повышение стабильности при низких температурах и воздействии радиации. Мультидифференциальный операционный усилитель содержит первый входной биполярный транзистор, первый входной полевой транзистор с управляющим р-n переходом, первое токовое зеркало, источник питания, второй входной биполярный транзистор, второй входной полевой транзистор с управляющим р-n переходом, второе токовое зеркало, первое дополнительное токовое зеркало, второе дополнительное токовое зеркало. 10 ил.

 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов.

В современной микроэлектронике находят применение так называемые мультидифференциальные операционные усилители (МОУ), обладающие (в сравнении с классическими ОУ) рядом неоспоримых преимуществ по схемам включения и их параметрам [1-17]. Сегодня МОУ реализуются на биполярных [1, 2] и полевых транзисторах [3-12], а также в виде гибридных схемотехнических решений, содержащих биполярные и полевые транзисторы с управляющим р-n переходом [13-16]. Последний подкласс МОУ при его реализации на основе технологии ОАО «Интеграл» (г. Минск) [17] отличается высокой радиационной стойкостью и, в этой связи, относится к достаточно перспективной элементной базе.

Однако для таких МОУ необходима специальная схемотехника, учитывающая ограничения биполярно-полевой технологии [17], которая обеспечивает радиационную стойкость микроэлектронных изделий до 1 Мрад и выдерживает поток нейтронов до 1013 н/см2.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является МОУ по патенту RU 2523124, фиг. 2. Он содержит (фиг. 1) первый 1 входной биполярный транзистор, база которого соединена с первым 2 входом устройства, первый 3 входной полевой транзистор с управляющим p-n переходом, затвор которого соединен со вторым 4 входом устройства, исток связан с эмиттером первого 1 входного биполярного транзистора, а сток соединен со входом первого 5 токового зеркала, согласованного с первой 6 шиной источника питания, второй 7 входной биполярный транзистор, база которого соединена с третьим 8 входом устройства, а коллектор подключен к входу второго 9 токового зеркала, согласованного со второй 10 шиной источника питания, второй 11 входной полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен с четвертым 12 входом устройства, а исток связан с эмиттером второго 7 входного биполярного транзистора, причем токовые выходы первого 5 и второго 9 токовых зеркал подключены к токовому выходу устройства 13.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что из-за асимметрии, связанной с использованием полевых и биполярных транзисторов, в нем не обеспечивается высокая стабильность напряжения смещения нуля (Uсм) в диапазоне низких температур t°<-60°C, а также в условиях радиации. Данный эффект обусловлен резким (в 50÷100 раз) ухудшением β биполярных транзисторов при низких температурах, а также и при воздействии потока нейтронов (Fn).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении нулевого уровня МОУ (напряжения смещения нуля, приведенного к входам МОУ) и повышении его стабильности при низких температурах и воздействии радиации.

Дополнительная задача - повышение быстродействия МОУ в схемах с отрицательной обратной связью - увеличение максимальной скорости нарастания выходного напряжения МОУ (ϑвых) при импульсном изменении входного напряжения.

Поставленные задачи достигаются тем, что в мультидифференциальном операционном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 входной биполярный транзистор, база которого соединена с первым 2 входом устройства, первый 3 входной полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен со вторым 4 входом устройства, исток связан с эмиттером первого 1 входного биполярного транзистора, а сток соединен со входом первого 5 токового зеркала, согласованного с первой 6 шиной источника питания, второй 7 входной биполярный транзистор, база которого соединена с третьим 8 входом устройства, а коллектор подключен к входу второго 9 токового зеркала, согласованного со второй 10 шиной источника питания, второй 11 входной полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен с четвертым 12 входом устройства, а исток связан с эмиттером второго 7 входного биполярного транзистора, причем токовые выходы первого 5 и второго 9 токовых зеркал подключены к токовому выходу устройства 13, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 1 входного биполярного транзистора соединен со входом первого 14 дополнительного токового зеркала, согласованного со второй 10 шиной источника питания, выход которого подключен к входу первого 5 токового зеркала, а сток второго 11 входного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен со входом второго 15 дополнительного токового зеркала, согласованного с первой 6 шиной источника питания, токовый выход которого соединен со входом второго 9 токового зеркала.

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

На фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_4 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 4 показаны зависимости выходного тока МОУ фиг. 3 от потока нейтронов (а) и температуры в диапазоне от минус 60°С до плюс 80°С (б).

На фиг. 5 приведена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_4 НПО «Интеграл» (г. Минск) для случая его инвертирующего включения в схеме с отрицательной обратной связью, которая вводится на базу транзистора Q1. При этом для уменьшения выходного сопротивления в схеме предусмотрен буферный усилитель (Gain=1). В схеме также используется традиционная цепь коррекции АЧХ (конденсатор С1). Резистор R2 моделирует эквивалентное сопротивление в высокоимпедансном узле МОУ.

На фиг. 6 показаны амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя фиг. 5 без отрицательной обратной связи и с отрицательной обратной связью (ООС).

На фиг. 7 представлена схема заявляемого устройства фиг. 2 в режиме измерения зависимости выходного тока (тока в резисторе R2) от входных напряжений, подаваемых на различные входы МОУ (IN1, IN2, IN3, IN4).

Из графиков фиг. 8 схемы фиг. 7 следует, что предлагаемое устройство характеризуется широким диапазоном линейной работы, в пределах которого выходной ток МОУ пропорционален входным напряжениям МОУ. Это является одним из факторов, способствующих повышению максимальной скорости нарастания выходного напряжения МОУ.

На фиг. 9 представлена схема МОУ фиг. 2 со 100% отрицательной обратной связью в режиме измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения для случая, когда импульсное входное напряжение с амплитудой 1В подавалось на затвор транзистора Q8.

На фиг. 10 представлены графики изменения выходного напряжения МОУ при импульсном входном сигнале положительной (фиг. 10а) и отрицательной (фиг. 10б) полярностях. Из данных графиков следует, что максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ фиг. 10а имеет повышенное значение ϑвых=251 В/мкс, а для отрицательного фронта составляет ϑвых=400 В/мкс. Данные значения ϑвых удовлетворяют многим применениям МОУ.

Мультидифференциальный операционный усилитель фиг. 2 содержит первый 1 входной биполярный транзистор, база которого соединена с первым 2 входом устройства, первый 3 входной полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен со вторым 4 входом устройства, исток связан с эмиттером первого 1 входного биполярного транзистора, а сток соединен со входом первого 5 токового зеркала, согласованного с первой 6 шиной источника питания, второй 7 входной биполярный транзистор, база которого соединена с третьим 8 входом устройства, а коллектор подключен к входу второго 9 токового зеркала, согласованного со второй 10 шиной источника питания, второй 11 входной полевой транзистор с управляющим р-n переходом (ПТ), затвор которого соединен с четвертым 12 входом устройства, а исток связан с эмиттером второго 7 входного биполярного транзистора, причем токовые выходы первого 5 и второго 9 токовых зеркал подключены к токовому выходу устройства 13. В схеме коллектор первого 1 входного биполярного транзистора соединен со входом первого 14 дополнительного токового зеркала, согласованного со второй 10 шиной источника питания, выход которого подключен к входу первого 5 токового зеркала, а сток второго 11 входного полевого транзистора с управляющим р-n переходом соединен со входом второго 15 дополнительного токового зеркала, согласованного с первой 6 шиной источника питания, токовый выход которого соединен со входом второго 9 токового зеркала.

В схеме фиг. 2 свойства нагрузки моделируются резистором 16. В частных случаях токовый выход устройства 13 может быть связан с дополнительным буферным усилителем, обеспечивающим низкое выходное сопротивление устройства (см. фиг. 5, Gain=1).

Рассмотрим работу МОУ-прототипа фиг. 1 в статическом режиме для случая, когда все входы МОУ связаны с общей шиной.

В этом случае эмиттерные токи первого 1 и второго 7 входных биполярных транзисторов определяются геометрией первого 3 и второго 11 входных полевых транзисторов и зависят от величины тока истока ПТ 3 и 11 Iси=I0, который определяется при Uзи=Uэб≈0,7 В. При этом коллекторные токи входных биполярных транзисторов 1 и 7 отличаются от I0 на величину тока базы Iбр

где Iбр - ток базы входных биполярных транзисторов 1 и 7.

Причем

где β - коэффициент усиления по току базы входных биполярных транзисторов 1 и 7.

Если считать, что коэффициенты передачи по току всех токовых зеркал (5 и 9) равны единице (Ki=1), то на основе первого закона Кирхгофа можно найти выходной статический ток ОУ, который является током ошибки

Таким образом, напряжение смещения нуля МОУ, приведенное к его входам:

где SДК - крутизна преобразования входного напряжения МОУ в его выходной ток Iвых.

Таким образом, в связи с малым значением SДК дифференциального каскада на полевых транзисторах, известная схема МОУ-прототипа фиг. 1 характеризуется повышенным значением Uсм и высокой нестабильностью нулевого уровня (ΔUсм).

В заявленном МОУ фиг. 2 выходной статический ток ошибки в аналогичном режиме включения входов МОУ определяется выражением

Для того, чтобы нестабильность I0 не влияла на Iвых. необходимо, чтобы коэффициенты передачи токовых зеркал МОУ удовлетворяли условиям

или

При Ki9=Ki5=Ki14=Ki15 условие (7) выполняется.

Аналогично, чтобы ток базы Iбр, существенно возрастающий при низких температурах и воздействии радиации (абсолютное уменьшение β до 2-3 единиц при Т=-190°C), не влиял на Iвых.0, необходимо выполнение следующего условия

Если Ki5=Ki9=Ki14, то данная составляющая выходного тока ошибки будет близка к нулю.

Таким образом, в заявленной схеме обеспечивается близкая к нулю статическая ошибка выходного тока (Iвых.0≈0). Как следствие, напряжение смещения нуля МОУ (Uсм) (4) также близко к нулю. Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг. 4).

Кроме этого, предлагаемый МОУ имеет достаточно высокое усиление по напряжению (фиг. 6) - около 100 дБ.

При импульсных изменениях входного напряжения в схеме фиг. 5 заявляемое устройство имеет относительно высокую скорость нарастания выходного напряжения [18]. Это связано с тем, что входной каскад МОУ характеризуется высокой линейностью проходной характеристики (фиг. 7, имеет широкий диапазон активной работы, измеряемый напряжением ограничения), что положительно влияет на ϑвых [18].

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными и может найти широкое применение в системах обработки радиотехнических сигналов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент WO 03/04328, fig. 6.

2. Патентная заявка US 2008/0186091, fig. 4.

3. Патент US 6.469.576, fig. 2.

4. Патент US 7.205.799, fig. 4, fig. 5.

5. A.c. СССР 537435, фиг. 1.

6. Патент US 6.388.519, fig. 36.

7. Патентная заявка US 2003/0006841, fig. 1.

8. Патентная заявка US 2013/0099782, fig. 2.

9. Патент US 6.255.807, fig. 5.

10. Патент US 6.400.225, fig. 3.

11. Патентная заявка US 2003/0132803, fig. 7.

12. Патент US 6.977.526, fig. 1.

13. Патент RU 2517699, фиг. 3.

14. The main connection circuits of the radiation-hardened differential difference amplifier based on the bipolar and field effect technological process / N.N. Prokopenko, O.V. Dvornikov, N.V. Butyrlagin, A.V. Bugakova // 2014 12th International conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE - 2014) proceedings in 7 Volumes; Novosibirsk, October 2-4, 2014. - Novosibirsk State Technical University. - Vol. 1. - P. 29-34 DOI: 10.1109/APEIE.2014.7040870 (fig. 2).

15. Крутчинский, С.Г. Входные каскады дифференциальных и мультидифференциальных операционных усилителей с высоким ослаблением синфазного напряжения [Текст] / С.Г. Крутчинский, А.Е. Титов, М.С. Цыбин // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем: Сборник трудов. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 537-542. - ISSN 2078-7707.

16. Прокопенко Н.Н., Дифференциальные и мультидифференциальные усилители в элементном базисе радиационно-стойкого техпроцесса АБМК_1.5 [Текст] / Прокопенко Н.Н., Серебряков А.И., Бутырлагин Н.В. // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Проблемы управления в топливно-энергетических комплексах и энергосберегающие технологии». 2014. - №5 (154). - С. 58-66.

17. 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.

18. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л.: Энергия, 1979. - 148 с.

Мультидифференциальный операционный усилитель, содержащий первый входной биполярный транзистор, база которого соединена с первым входом устройства, первый входной полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен со вторым входом устройства, исток связан с эмиттером первого входного биполярного транзистора, а сток соединен со входом первого токового зеркала, согласованного с первой шиной источника питания, второй входной биполярный транзистор, база которого соединена с третьим входом устройства, а коллектор подключен к входу второго токового зеркала, согласованного со второй шиной источника питания, второй входной полевой транзистор с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен с четвертым входом устройства, а исток связан с эмиттером второго входного биполярного транзистора, причем токовые выходы первого и второго токовых зеркал подключены к токовому выходу устройства, отличающийся тем, что коллектор первого входного биполярного транзистора соединен со входом первого дополнительного токового зеркала, согласованного со второй шиной источника питания, выход которого подключен к входу первого токового зеркала, а сток второго входного полевого транзистора с управляющим р-n переходом соединен со входом второго дополнительного токового зеркала, согласованного с первой шиной источника питания, токовый выход которого соединен со входом второго токового зеркала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электроники. Технический результат - повышение коэффициента ослабления входного синфазного сигнала.

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению в разомкнутом дифференциальном операционном усилителе при высокой температурной и радиационной стабильности статического режима транзисторов его промежуточного каскада.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных датчиков. Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов инструментального усилителя.

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению разомкнутого мультидифференциального операционного усилителя при сохранении высокой стабильности нулевого уровня.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии двухкаскадного ОУ до уровня 90÷400 дБ.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: повышение разомкнутого коэффициента усиления по напряжению операционного усилителя (ОУ) при сохранении высоких показателей по стабильности напряжения смещения нуля.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона изменения выходного напряжения устройства до уровней, близких к напряжениям на положительной и отрицательной шинах питания.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат - уменьшение напряжения смещения нуля.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: создание энергоэкономичного устройства для усиления разности двух входных токов и подавления их синфазной составляющей.

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат заключается в расширении диапазона изменения выходного напряжения до уровней, близких к напряжениям на положительной и отрицательной шинах питания.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению (Ку) при сохранении высокой температурной и радиационной стабильности напряжения смещения нуля. Двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель с повышенным коэффициентом усиления содержит входной дифференциальный каскад, первый выходной транзистор, коллектор которого связан со входом токового зеркала, источник питания, второй выходной транзистор, первый вспомогательный транзистор, второй вспомогательный транзистор, третий вспомогательный транзистор, первый дополнительный повторитель напряжения, четвертый вспомогательный транзистор и второй дополнительный повторитель напряжения. 11 ил.

Изобретение относится к области аналоговой усилительной техники. Технический результат: повышение значения коэффициента передачи по напряжению. Для этого предложен дифференциальный инструментальный усилитель с парафазным выходом, который содержит неинвертирующий вход (1) устройства и синфазный ему неинвертирующий выход (2) устройства, инвертирующий вход (3) устройства и синфазный ему инвертирующий выход (4) устройства, первый (5) входной дифференциальный каскад, второй (8) входной дифференциальный каскад, выходной дифференциальный каскад (14), при этом в схему введен дополнительный дифференциальный каскад (20), неинвертирующий вход (21) которого соединен с неинвертирующим (1) входом устройства, инвертирующий вход (22) дополнительного дифференциального каскада (20) подключен к инвертирующему (3) входу устройства, первый (23) токовый выход дополнительного дифференциального каскада (20) связан с первым (12) токовым выходом второго (8) входного дифференциального каскада, а второй (24) токовый выход дополнительного дифференциального каскада (20) связан со вторым (16) токовым выходом второго (8) входного дифференциального каскада. 5 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и вычислительной техники. Технический результат заключается в обеспечении дополнительно к режиму последовательного во времени преобразования входных потенциальных сигналов в выходное напряжение, алгебраического суммирования входных дифференциальных и недифференциальных напряжений, а также изменения их фазы в процессе мультиплексирования. Мультиплексор содержит N входных дифференциальных каскадов, имеющих инвертирующий и неинвертирующий входы, логический потенциальный вход для включения/выключения дифференциального каскада, и токовый выход, связанный с входом выходного буферного усилителя. Причем каждый из N входных дифференциальных каскадов имеет диапазон линейной работы по дифференциальному входу, превышающий максимальную амплитуду его входного дифференциального напряжения, потенциальный выход выходного буферного усилителя соединен с инвертирующим входом первого входного дифференциального каскада, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источника питания, причем каждый логический потенциальный вход включения/выключения каждого входного дифференциального каскада связан с выходом соответствующих из N триггеров, входы управления состоянием которых соединены с выходами цифрового управляющего устройства. 17 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных датчиков. Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала при работе в диапазоне низких температур. Указанный результат достигается посредством инструментального усилителя для работы при низких температурах, который содержит первый входной полевой транзистор первого дифференциального каскада, затвор которого соединен с первым входом устройства, исток подключен к стоку первого вспомогательного транзистора первого дифференциального каскада, а сток через первый двухполюсник нагрузки связан с первой шиной источника питания и соединен с первым выходом, второй входной полевой транзистор первого дифференциального каскада. Между второй шиной источника питания и истоком второго выходного транзистора включен второй токостабилизирующий двухполюсник, причем второй и первый выходы соединены с соответствующими входами выходного каскада, выход которого, являющийся потенциальным выходом устройства, связан с четвертым входом устройства через цепь общей отрицательной обратной, а третий вход устройства соединен с общей шиной источников питания. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления электрических сигналов различных датчиков. Технический результат заключается в повышении точности за счет уменьшения систематической составляющей напряжения смещения нуля низкотемпературного радиационно-стойкого мультидифференциального операционного усилителя (МОУ). Он содержит дифференциальные каскады на основе транзисторов, связанных друг с другом. Токовый выход первого (1) дифференциального каскада соединен с первой (15) шиной источника питания через первый (18) токостабилизирующий двухполюсник и подключен к эмиттеру первого (19) согласующего транзистора, второй (12) токовый выход второго (8) дифференциального каскада соединен с эмиттером второго (20) согласующего транзистора и через второй (21) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (15) шиной источника питания. Причем первый (11) токовый выход второго (8) дифференциального каскада соединен с эмиттером второго (26) выходного транзистора и подключен к коллектору первого (19) согласующего транзистора, коллектор второго (26) выходного транзистора связан со вторым (28) входом выходного дифференциального каскада (25), выход которого соединен с выходом устройства (17). 3 з.п. ф-лы, 15 ил.
Наверх