RU2784666C1 - Gallium arsenide operational amplifier with a low zero-bias voltage - Google Patents

Gallium arsenide operational amplifier with a low zero-bias voltage Download PDF

Info

Publication number
RU2784666C1
RU2784666C1 RU2022107320A RU2022107320A RU2784666C1 RU 2784666 C1 RU2784666 C1 RU 2784666C1 RU 2022107320 A RU2022107320 A RU 2022107320A RU 2022107320 A RU2022107320 A RU 2022107320A RU 2784666 C1 RU2784666 C1 RU 2784666C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
source
transistor
reference current
power supply
Prior art date
Application number
RU2022107320A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Матвеевич Савченко
Николай Николаевич Прокопенко
Владислав Евгеньевич Чумаков
Алексей Сергеевич Будяков
Андрей Анатольевич Пронин
Дмитрий Геннадьевич Дроздов
Александр Дмитриевич Першин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Центр инновационных разработок ВАО"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Центр инновационных разработок ВАО" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Центр инновационных разработок ВАО"
Application granted granted Critical
Publication of RU2784666C1 publication Critical patent/RU2784666C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: analog microelectronics.
SUBSTANCE: invention relates to the field of analog microelectronics and can be used in the structure of analog-to-digital interfaces and IP modules of communication and telecommunications systems that allow operation under conditions of exposure to penetrating radiation, low or high temperatures. The device contains the first (1) and second (2) inputs connected to the inputs of the input differential stage (3) on field-effect transistors with a control p-n junction, the output of the device (4), the first (5) and second (6) current outputs of the input differential stage (3), wherein the first (5) current output is connected to the first (7) power supply bus, the common source circuit (8) of the input differential stage (4) is connected to the second (9) power supply bus through the reference current source (10 ), the second (6) current output of the input differential stage (3) is connected to the emitter of the output bipolar p-n-p transistor (11) of the intermediate stage, the base of which is connected to the bias voltage source (12), and the collector through the reference current source (13) of the intermediate of the cascade is connected to the second (9) clay of the power supply, the first (14) auxiliary transistor, the output buffer amplifier (15), the low-resistance output of which is the output (3) of the device. The reference current source (10) is made in the form of two identical and parallel connected auxiliary reference current sources. The reference current source (13) of the intermediate stage is implemented on cascode composite transistors and is identical to the first (16) and second (17) auxiliary current reference sources.
EFFECT: creation of an operational amplifier with a "kinked" cascode, implemented on JFET gallium arsenide field-effect transistors with a control p-n junction and bipolar GaAs p-n-p transistors, which has low values of the systematic component of the zero bias voltage.
2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в структуре аналого-цифровых интерфейсов и IP-модулей систем связи и телекоммуникаций, допускающих работу в условиях воздействия проникающей радиации, низких или высоких температур.The invention relates to the field of analog microelectronics and can be used in the structure of analog-to-digital interfaces and IP modules of communication and telecommunications systems that allow operation under conditions of exposure to penetrating radiation, low or high temperatures.

Известно значительное количество базовых схем операционных усилителей (ОУ) на основе так называемого «перегнутого» каскода, которые реализуются на биполярных (BJT) и полевых транзисторах (JFet, КМОП, КНИ, КНС и др.), а также при их совместном включении [1-27].There are a significant number of basic circuits of operational amplifiers (op-amps) based on the so-called "kinked" cascode, which are implemented on bipolar (BJT) and field-effect transistors (JFet, CMOS, SOI, SOS, etc.), as well as when they are connected together [1 -27].

Существуют схемы ОУ с входным каскадом на JFET и выходным «перегнутым» каско дом на p-n-р биполярных транзисторах [1,2], ОУ с входным каскадом на JFET и «перегнутым» каско дом на n-p-п биполярных транзисторах [3], ОУ с входными каскадами на КМОП и «перегнутым» каско дом на p-n-р биполярных транзисторах [4-6], ОУ с входными каскадами на КМОП и «перегнутым» каскодом на n-p-n биполярных транзисторах [7-9], ОУ с входным каскадом на биполярных n-p-n и выходным «перегнутым» каскодом на p-n-р биполярных транзисторах [10-16], ОУ с входным каскадом на p-n-р и выходным «перегнутым» каскодом на n-p-n биполярных транзисторах [17-20], а также серийных ОУ с входными JFET и выходным «перегнутым» каскодом на n-p-n биполярных транзисторах [21-23].There are op-amp circuits with an input stage on a JFET and an output "kinked" casco on p-n-p bipolar transistors [1,2], an op-amp with an input stage on a JFET and a "kinked" casco on n-p-p bipolar transistors [3], op-amp with CMOS input stages and a “kinked” cascode on p-n-p bipolar transistors [4-6], an op-amp with CMOS input stages and a “kinked” cascode on n-p-n bipolar transistors [7-9], an op-amp with an input stage on bipolar n-p-n and output "kinked" cascode on p-n-p bipolar transistors [10-16], op amps with an input stage on p-n-p and output "kinked" cascode on n-p-n bipolar transistors [17-20], as well as serial op-amps with input JFETs and output "bent" cascode on n-p-n bipolar transistors [21-23].

Таким образом, сочетание входного дифференциального каскада и выходного «перегнутого» каскода является основой схемотехники современных ОУ.Thus, the combination of an input differential stage and an output "bent" cascode is the basis of the circuitry of modern op amps.

Во многих применениях схема ОУ адаптируется под конкретные технологические процессы и внешние воздействующие факторы, например, влияние низких температур и радиации, т.к. только в этом случае обеспечивается реализациях предельных параметров ОУ.In many applications, the op-amp circuit is adapted to specific technological processes and external influencing factors, for example, the influence of low temperatures and radiation, since only in this case is it provided by the realizations of the limiting parameters of the CO.

В настоящее время в российской и зарубежной микроэлектронике уделяется повышенное внимание арсенид-галлиевым микросхемам. Данное направление создания электронной компонентной базы относится к числу востребованных 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, освоенный в США [24-27], а также в Минском научно-исследовательском институте радиоматериалов НАН (https://mniirm.by/), ориентирован на изготовление аналоговых схем, содержащих только полевые GaAs транзисторы с управляющим р-n переходом и биполярные GaAs p-n-р транзисторы. Применение других полупроводниковых приборов не допускается. Это накладывает существенные ограничения на схемотехнику аналоговых устройств, ориентированных на данный технологический процесс.Currently, in Russian and foreign microelectronics, increased attention is paid to gallium arsenide microcircuits. This direction of creating an electronic component base is one of those in demand in the tasks of space instrumentation. However, the features of gallium arsenide technological processes impose significant restrictions on the types of implemented transistors and their characteristics. So, for example, the gallium arsenide technological process, mastered in the USA [24-27], as well as at the Minsk Research Institute of Radiomaterials of the National Academy of Sciences (https://mniirm.by/), is focused on the manufacture of analog circuits containing only field GaAs transistors with a control p-n junction and bipolar GaAs p-n-p transistors. The use of other semiconductor devices is not allowed. This imposes significant restrictions on the circuitry of analog devices oriented to a given technological process.

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является ОУ, представленный в монографии «Подойников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216 стр.». Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 входы устройства, связанные со входами входного дифференциального каскада 3 на полевых транзисторах с управляющим р-n переходом, выход устройства 4, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 3, причем первый 5 токовый выход связан с первой 7 шиной источника питания, общая истоковая цепь 8 входного дифференциального каскада 4 соединена со второй 9 шиной источника питания через источник опорного тока 10, второй 6 токовый выход входного дифференциального каскада 3 соединен с эмиттером выходного биполярного p-n-р транзистора 11 промежуточного каскада, база которого подключена к источнику напряжения смещения 12, а коллектор через источник опорного тока 13 промежуточного каскада связан со второй 9 шиной источника питания, первый 14 вспомогательный транзистор, выходной буферный усилитель 15, низкоомный выход которого является выходом 3 устройства.The closest prototype (Fig. 1) of the claimed device is an OU presented in the monograph “Podoinikov D.E. Operational amplifiers: Construction principles, theory, circuitry. - M.: Energoatomizdat, 1983. - 216 pages. It contains (Fig. 1) the first 1 and second 2 inputs of the device associated with the inputs of the input differential stage 3 on field-effect transistors with a control p-n junction, the output of the device 4, the first 5 and second 6 current outputs of the input differential stage 3, and the first 5 the current output is connected to the first 7 power supply bus, the common source circuit 8 of the input differential stage 4 is connected to the second 9 power supply bus through the reference current source 10, the second 6 current output of the input differential stage 3 is connected to the emitter of the output bipolar p-n-p transistor 11 intermediate stage, the base of which is connected to the bias voltage source 12, and the collector through the reference current source 13 of the intermediate stage is connected to the second 9 power supply bus, the first 14 auxiliary transistor, the output buffer amplifier 15, the low-resistance output of which is the output 3 of the device.

Существенный недостаток ОУ-прототипа состоит в том, что при его реализации на JFET полевых и p-n-р биполярных арсенид-галлиевых транзисторах он имеет повышенные значения систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм). Это обусловлено отрицательным влиянием на статический режим классических ОУ на «перегнутых» каскодах тока базы используемых биполярных р-n-р транзисторов, который с уменьшением температуры существенно увеличиваются из-за деградации коэффициента усиления по току базы (β).A significant drawback of the op amp prototype is that when it is implemented on JFET field and pn-p bipolar gallium arsenide transistors, it has increased values of the systematic component of the zero bias voltage (U cm ). This is due to the negative effect on the static mode of classical op amps on “bent” cascodes of the base current of the used bipolar p-n-p transistors, which significantly increase with decreasing temperature due to the degradation of the base current gain (β).

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании операционного усилителя с «перегнутым» каскодом, реализуемого на JFET арсенид-галлиевых полевых транзисторах с управляющим р-n переходом и биполярных GaAs p-n-р транзисторах, имеющего малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля.The main objective of the proposed invention is to create an operational amplifier with a "kinked" cascode, implemented on JFET gallium arsenide field-effect transistors with a control p-n junction and bipolar GaAs p-n-p transistors, having low values of the systematic component of the zero bias voltage.

Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входы устройства, связанные со входами входного дифференциального каскада 3 на полевых транзисторах с управляющим р-n переходом, выход устройства 4, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 3, причем первый 5 токовый выход связан с первой 7 шиной источника питания, общая истоковая цепь 8 входного дифференциального каскада 4 соединена со второй 9 шиной источника питания через источник опорного тока 10, второй 6 токовый выход входного дифференциального каскада 3 соединен с эмиттером выходного биполярного p-n-р транзистора 11 промежуточного каскада, база которого подключена к источнику напряжения смещения 12, а коллектор через источник опорного тока 13 промежуточного каскада связан со второй 9 шиной источника питания, первый 14 вспомогательный транзистор, выходной буферный усилитель 15, низкоомный выход которого является выходом 3 устройства, предусмотрены новые элементы и связи -источник опорного тока 10 выполнен в виде двух идентичных и параллельно включенных первого 16 и второго 17 вспомогательных источников опорного тока на каскодных составных полевых транзисторах, источник опорного тока 13 промежуточного каскада реализован на каскодных составных транзисторах и идентичен первому 16 и второму 17 вспомогательным источникам опорного тока, эмиттер выходного биполярного р-n-р транзистора 11 промежуточного каскада соединен с затвором первого 18 дополнительного полевого транзистора, исток которого через первый 14 вспомогательный резистор соединен со вторым 6 токовым выходом входного дифференциального каскада 3, второй 6 токовый выход входного дифференциального каскада 3 связан с затвором второго 19 дополнительного полевого транзистора, сток которого подключен к первой 7 шине питания, а исток через второй 20 вспомогательный резистор соединен с эмиттером первого выходного биполярного транзистора 11 промежуточного каскада, коллектор выходного биполярного p-n-р транзистора 11 промежуточного каскада связан с базой дополнительного биполярного транзистора 21, коллектор которого соединен со второй 9 шиной источника питания, а эмиттер соединен со входом выходного буферного усилителя 15 и затвором третьего 22 дополнительного полевого транзистора, сток которого подключен ко второй 7 шине источника питания, а исток соединен с эмиттером дополнительного биполярного транзистора 21 через дополнительный резистор 23.The task is achieved by the fact that in the operational amplifier of Fig. 1, containing the first 1 and second 2 inputs of the device connected to the inputs of the input differential stage 3 on field-effect transistors with a control p-n junction, the output of the device 4, the first 5 and second 6 current outputs of the input differential stage 3, and the first 5 current output is connected with the first 7 power supply bus, the common source circuit 8 of the input differential stage 4 is connected to the second 9 power supply bus through the reference current source 10, the second 6 current output of the input differential stage 3 is connected to the emitter of the output bipolar p-n-p transistor 11 of the intermediate stage, the base which is connected to a bias voltage source 12, and the collector through the reference current source 13 of the intermediate stage is connected to the second 9 power supply bus, the first 14 auxiliary transistor, the output buffer amplifier 15, the low-resistance output of which is the output 3 of the device, new elements and connections are provided - source reference current 10 is made in the form of two identical and parallel-connected first 16 and second 17 auxiliary reference current sources on cascode composite field-effect transistors, the reference current source 13 of the intermediate stage is implemented on cascode composite transistors and is identical to the first 16 and second 17 auxiliary current reference sources, the emitter of the output bipolar p-n-p transistor 11 of the intermediate stage is connected to the gate of the first 18 additional field-effect transistor, the source of which is connected through the first 14 auxiliary resistor to the second 6 current output of the input differential stage 3, the second 6 current output of the input differential stage 3 is connected to the gate of the second 19 additional field-effect transistor, the drain of which connected to the first 7 power bus, and the source through the second 20 auxiliary resistor is connected to the emitter of the first output bipolar transistor 11 of the intermediate stage, the collector of the output bipolar transistor 11 of the intermediate stage is connected to the base additional bipolar transistor 21, the collector of which is connected to the second 9 bus of the power source, and the emitter is connected to the input of the output buffer amplifier 15 and the gate of the third 22 additional field-effect transistor, the drain of which is connected to the second 7 bus of the power source, and the source is connected to the emitter of the additional bipolar transistor 21 through an additional resistor 23.

На чертеже фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа.In the drawing of FIG. 1 shows a prototype op-amp circuit.

На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения.In the drawing of FIG. 2 shows a diagram of the claimed device in accordance with paragraph 1 and paragraph 2 of the claims.

На чертеже фиг. 3 приведена схема заявляемого ОУ фиг. 2 на арсенид-галлиевых полевых и арсенид-галлиевых биполярных транзисторах в среде LTspice в при t=27°C, +Vcc=-Vee=10 В, R1÷R7=11 кОм, V1=7.362 В, Ск=20 пФ и ширине канала JFET GaAs 1 мкм.In the drawing of FIG. 3 shows a diagram of the proposed OS of FIG. 2 on gallium arsenide field and gallium arsenide bipolar transistors in LTspice environment at t=27°C, +Vcc=-Vee=10 V, R1÷R7=11 kOhm, V1=7.362 V, Sk=20 pF and width JFET GaAs channel 1 µm.

На чертеже фиг. 4 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 3In the drawing of FIG. 4 shows the logarithmic frequency response of the voltage gain of the OA of FIG. 3

Арсенид-галлиевый операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входы устройства, связанные со входами входного дифференциального каскада 3 на полевых транзисторах с управляющим р-n переходом, выход устройства 4, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 3, причем первый 5 токовый выход связан с первой 7 шиной источника питания, общая истоковая цепь 8 входного дифференциального каскада 4 соединена со второй 9 шиной источника питания через источник опорного тока 10, второй 6 токовый выход входного дифференциального каскада 3 соединен с эмиттером выходного биполярного p-n-р транзистора 11 промежуточного каскада, база которого подключена к источнику напряжения смещения 12, а коллектор через источник опорного тока 13 промежуточного каскада связан со второй 9 шиной источника питания, первый 14 вспомогательный транзистор, выходной буферный усилитель 15, низкоомный выход которого является выходом 3 устройства. Источник опорного тока 10 выполнен в виде двух идентичных и параллельно включенных первого 16 и второго 17 вспомогательных источников опорного тока на каскодных составных полевых транзисторах, источник опорного тока 13 промежуточного каскада реализован на каскодных составных полевых транзисторах и идентичен первому 16 и второму 17 вспомогательным источникам опорного тока, эмиттер выходного биполярного p-n-р транзистора 11 промежуточного каскада соединен с затвором первого 18 дополнительного полевого транзистора, исток которого через первый 14 вспомогательный резистор соединен со вторым 6 токовым выходом входного дифференциального каскада 3, второй 6 токовый выход входного дифференциального каскада 3 связан с затвором второго 19 дополнительного полевого транзистора, сток которого подключен к первой 7 шине питания, а исток через второй 20 вспомогательный резистор соединен с эмиттером первого выходного биполярного транзистора 11 промежуточного каскада, коллектор выходного биполярного p-n-р транзистора 11 промежуточного каскада связан с базой дополнительного биполярного транзистора 21, коллектор которого соединен со второй 9 шиной источника питания, а эмиттер соединен со входом выходного буферного усилителя 15 и затвором третьего 22 дополнительного полевого транзистора, сток которого подключен ко второй 7 шине источника питания, а исток соединен с эмиттером дополнительного биполярного транзистора 21 через дополнительный резистор 23.Gallium Arsenide Operational Amplifier with Low Zero Bias Voltage FIG. 2 contains the first 1 and second 2 inputs of the device connected to the inputs of the input differential stage 3 on field-effect transistors with a control p-n junction, the output of the device 4, the first 5 and second 6 current outputs of the input differential stage 3, and the first 5 current output is connected to the first 7 power supply bus, the common source circuit 8 of the input differential stage 4 is connected to the second 9 power supply bus through the reference current source 10, the second 6 current output of the input differential stage 3 is connected to the emitter of the output bipolar p-n-p transistor 11 of the intermediate stage, the base of which connected to the bias voltage source 12, and the collector through the reference current source 13 of the intermediate stage is connected to the second 9 power supply bus, the first 14 auxiliary transistor, the output buffer amplifier 15, the low-resistance output of which is the output 3 of the device. The reference current source 10 is made in the form of two identical and parallel-connected first 16 and second 17 auxiliary current reference sources on cascode composite field-effect transistors, the reference current source 13 of the intermediate stage is implemented on cascode composite field-effect transistors and is identical to the first 16 and second 17 auxiliary current reference sources , the emitter of the output bipolar p-n-p transistor 11 of the intermediate stage is connected to the gate of the first 18 additional field-effect transistor, the source of which is connected through the first 14 auxiliary resistor to the second 6 current output of the input differential stage 3, the second 6 current output of the input differential stage 3 is connected to the gate of the second 19 additional field effect transistor, the drain of which is connected to the first 7 power bus, and the source through the second 20 auxiliary resistor is connected to the emitter of the first output bipolar transistor 11 of the intermediate stage, the collector of the output bipolar p-n- p of the transistor 11 of the intermediate stage is connected to the base of the additional bipolar transistor 21, the collector of which is connected to the second 9 bus of the power source, and the emitter is connected to the input of the output buffer amplifier 15 and the gate of the third 22 additional field-effect transistor, the drain of which is connected to the second 7 bus of the power source, and the source is connected to the emitter of the additional bipolar transistor 21 through an additional resistor 23.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 16 и второй 17 вспомогательные источники опорного тока на каскодных составных полевых транзисторах, а также источник опорного тока 13 промежуточного каскада выполнены по идентичным схемам, содержащим четвертый 24 и пятый 25 дополнительные полевые транзисторы и согласующий резистор 26, причем сток четвертого 24 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком пятого 25 дополнительного полевого транзистора и является выходом первого 16 и второго 17 вспомогательных источников опорного тока, его затвор соединен с истоком пятого 25 дополнительного полевого транзистора и через согласующий резистор 26 подключен ко второй 9 шине источника питания, причем сток пятого 25 дополнительного полевого транзистора соединен с истоком пятого 25 дополнительного полевого транзистора, а затвор пятого 25 дополнительного полевого транзистора связан со второй 9 шиной источника питания.In the drawing of FIG. 2, in accordance with paragraph 2 of the claims, the first 16 and second 17 auxiliary sources of reference current on cascode composite field-effect transistors, as well as the reference current source 13 of the intermediate stage are made according to identical circuits, containing the fourth 24 and fifth 25 additional field-effect transistors and a matching resistor 26, and the drain of the fourth 24 additional field-effect transistor is connected to the source of the fifth 25 additional field-effect transistor and is the output of the first 16 and second 17 auxiliary reference current sources, its gate is connected to the source of the fifth 25 additional field-effect transistor and is connected to the second 9 through a terminating resistor 26 bus power supply, and the drain of the fifth 25 additional field effect transistor is connected to the source of the fifth 25 additional field effect transistor, and the gate of the fifth 25 additional field effect transistor is connected to the second 9 bus power supply.

Устойчивость ОУ фиг. 2 обеспечивается корректирующим конденсатором 27 (Ск), который иногда может отсутствовать. Для симметрирования статических режимов по напряжению затвор-сток транзисторов входного дифференциального каскада 3 может использоваться вспомогательный резистор 28 (Rc). Для повышения коэффициента ослабления входного синфазного сигнала ОУ фиг. 2 входной дифференциальный каскад 3 может выполняться на основе каскодных составных полевых транзисторов 29-30, 31-32.The stability of the OS of Fig. 2 is provided with a correction capacitor 27 (C to ), which may sometimes be absent. For balancing static modes voltage gate-drain transistors of the input differential stage 3 can be used auxiliary resistor 28 (R c ). To increase the attenuation ratio of the input common-mode signal of the op-amp of FIG. 2, the input differential stage 3 can be based on cascode compound field-effect transistors 29-30, 31-32.

Компьютерное моделирование схемы фиг. 3 подтверждает, что статические токи всех цепей стабилизации статического режима ОУ идентичны и с высокой точностью равны 698 мкА. Выполнить данное условие в схеме ОУ возможно только на JFET транзисторах.Computer simulation of the circuit of FIG. 3 confirms that the static currents of all the stabilization circuits of the static mode of the OS are identical and equal to 698 μA with high accuracy. It is possible to fulfill this condition in the op-amp circuit only on JFET transistors.

Рассмотрим работу предлагаемого ОУ фиг. 2.Consider the operation of the proposed op-amp of Fig. 2.

Основная особенность схемы фиг. 2 состоит в применении идентичных источника опорного тока 13 промежуточного каскада (I13=I0), первого 16 (I16=I0) и второго 17 (I17=I0) вспомогательных источников опорного тока, а также таких же цепей стабилизации статического режима выходного биполярного p-n-р транзистора 11 промежуточного каскада и дополнительного биполярного транзистора 21, которые реализованы на первом 18, втором 19 и третьем 22 дополнительных полевых транзисторах (IR14=IR20=IR21=I0). В результате для высокоимпедансного узла Σ1 можно составить следующее уравнение Кирхгофа для «втекающих» и «вытекающих» токов:The main feature of the circuit in Fig. 2 consists in using identical reference current source 13 of the intermediate stage (I 13 =I 0 ), the first 16 (I 16 =I 0 ) and the second 17 (I 17 =I 0 ) auxiliary reference current sources, as well as the same static stabilization circuits mode output bipolar pn-p transistor 11 intermediate stage and additional bipolar transistor 21, which are implemented on the first 18, second 19 and third 22 additional field-effect transistors (I R14 =I R20 =I R21 =I 0 ). As a result, for a high-impedance node Σ 1 , the following Kirchhoff equation can be compiled for "inflowing" and "outflowing" currents:

Figure 00000001
Figure 00000001

где I0 - численные значения тока всех токостабилизирующих двухполюсников в схеме фиг. 2;where I 0 are the numerical values of the current of all current-stabilizing two-terminal networks in the circuit of FIG. 2;

β11, β21 - коэффициенты усиления по току базы выходного биполярного p-n-р транзистора 11 промежуточного каскада и дополнительного биполярного транзистора 21;β 11 , β 21 - current gain of the base of the output bipolar pn-p transistor 11 of the intermediate stage and additional bipolar transistor 21;

I13=I0 - ток источника опорного тока 13 промежуточного каскада.I 13 =I 0 - the current source of the reference current 13 of the intermediate stage.

При этом разностный ток в узле Σ1 (ток статической ошибки) равенIn this case, the difference current in node Σ 1 (static error current) is equal to

Figure 00000002
Figure 00000002

Если в диапазоне внешних воздействий β1121 то ΔIΣ=0 и, как следствие, систематическая составляющая напряжения смещения нуля ОУ фиг. 2 Uсм, приведенная к его входу, принимает малые значения:If in the range of external influences β 1121 then ΔI Σ =0 and, as a result, the systematic component of the zero bias voltage of the OS of Fig. 2 U cm reduced to its input takes small values:

Figure 00000003
Figure 00000003

где SДК - крутизна усиления входного дифференциального каскада 3.where S DC is the gain slope of the input differential stage 3.

Как показывает компьютерное моделирование (фиг. 3), численные значения Uсм лежат в диапазоне 30-50 мкВ.As shown by computer simulation (Fig. 3), the numerical values of U cm lie in the range of 30-50 μV.

Учитывая, что все источники опорного тока, устанавливающие статический режим ОУ фиг. 2, имеют высокое выходное дифференциальное сопротивление, в схеме фиг. 2 обеспечивается повышенный коэффициент усиления по напряжению (80-90 дБ), что достаточно для многих применений.Considering that all reference current sources that set the static mode of the op-amp of Fig. 2 have a high output differential impedance, in the circuit of FIG. 2 provides increased voltage gain (80-90 dB), which is sufficient for many applications.

Компьютерное моделирование (фиг. 3, фиг. 4) показывает, что предлагаемый ОУ, схемотехника которого адаптирована на применение в тяжелых условиях эксплуатации, имеет существенные достоинства в сравнении с известными вариантами построения ОУ при их реализации в рамках рассматриваемого арсенид-галлиевого технологического процесса, обеспечивающего создание только полевых транзисторов с управляющим р-n переходом и биполярных p-n-р транзисторов.Computer simulation (Fig. 3, Fig. 4) shows that the proposed op-amp, the circuitry of which is adapted for use in harsh operating conditions, has significant advantages in comparison with the known options for constructing an op-amp when they are implemented within the framework of the considered gallium arsenide technological process, which provides the creation of only field-effect transistors with a control p-n junction and bipolar p-n-p transistors.

Claims (2)

1. Арсенид-галлиевый операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий первый (1) и второй (2) входы устройства, связанные со входами входного дифференциального каскада (3) на полевых транзисторах с управляющим р-n переходом, выход устройства (4), первый (5) и второй (6) токовые выходы входного дифференциального каскада (3), причем первый (5) токовый выход связан с первой (7) шиной источника питания, общая истоковая цепь (8) входного дифференциального каскада (4) соединена со второй (9) шиной источника питания через источник опорного тока (10), второй (6) токовый выход входного дифференциального каскада (3) соединен с эмиттером выходного биполярного p-n-р транзистора (11) промежуточного каскада, база которого подключена к источнику напряжения смещения (12), а коллектор через источник опорного тока (13) промежуточного каскада связан со второй (9) шиной источника питания, первый (14) вспомогательный транзистор, выходной буферный усилитель (15), низкоомный выход которого является выходом (3) устройства, отличающийся тем, что источник опорного тока (10) выполнен в виде двух идентичных и параллельно включенных первого (16) и второго (17) вспомогательных источников опорного тока на каскодных составных полевых транзисторах, источник опорного тока (13) промежуточного каскада реализован на каскодных составных транзисторах и идентичен первому (16) и второму (17) вспомогательным источникам опорного тока, эмиттер выходного биполярного p-n-р транзистора (11) промежуточного каскада соединен с затвором первого (18) дополнительного полевого транзистора, исток которого через первый (14) вспомогательный резистор соединен со вторым (6) токовым выходом входного дифференциального каскада (3), второй (6) токовый выход входного дифференциального каскада (3) связан с затвором второго (19) дополнительного полевого транзистора, сток которого подключен к первой (7) шине питания, а исток через второй (20) вспомогательный резистор соединен с эмиттером первого выходного биполярного транзистора (11) промежуточного каскада, коллектор выходного биполярного p-n-р транзистора (11) промежуточного каскада связан с базой дополнительного биполярного транзистора (21), коллектор которого соединен со второй (9) шиной источника питания, а эмиттер соединен со входом выходного буферного усилителя (15) и затвором третьего (22) дополнительного полевого транзистора, сток которого подключен ко второй (7) шине источника питания, а исток соединен с эмиттером дополнительного биполярного транзистора (21) через дополнительный резистор 23.1. Gallium arsenide operational amplifier with a low zero bias voltage, containing the first (1) and second (2) inputs of the device connected to the inputs of the input differential stage (3) on field-effect transistors with a control p-n junction, the output of the device (4) , the first (5) and second (6) current outputs of the input differential stage (3), wherein the first (5) current output is connected to the first (7) power supply bus, the common source circuit (8) of the input differential stage (4) is connected to the second (9) power supply bus through the reference current source (10), the second (6) current output of the input differential stage (3) is connected to the emitter of the output bipolar p-n-p transistor (11) of the intermediate stage, the base of which is connected to the bias voltage source ( 12), and the collector through the reference current source (13) of the intermediate stage is connected to the second (9) power supply bus, the first (14) auxiliary transistor, the output buffer amplifier (15), the low-resistance output of which o is the output (3) of the device, characterized in that the reference current source (10) is made in the form of two identical and parallel-connected first (16) and second (17) auxiliary reference current sources on cascode composite field-effect transistors, the reference current source (13 ) of the intermediate stage is implemented on cascode composite transistors and is identical to the first (16) and second (17) auxiliary reference current sources, the emitter of the output bipolar p-n-p transistor (11) of the intermediate stage is connected to the gate of the first (18) additional field-effect transistor, the source of which is through the first (14) auxiliary resistor is connected to the second (6) current output of the input differential stage (3), the second (6) current output of the input differential stage (3) is connected to the gate of the second (19) additional field effect transistor, the drain of which is connected to the first ( 7) the power bus, and the source through the second (20) auxiliary resistor is connected to the emitter of the first output bipole ar transistor (11) of the intermediate stage, the collector of the output bipolar p-n-p transistor (11) of the intermediate stage is connected to the base of an additional bipolar transistor (21), the collector of which is connected to the second (9) power supply bus, and the emitter is connected to the input of the output buffer amplifier (15) and the gate of the third (22) additional field effect transistor, the drain of which is connected to the second (7) power supply bus, and the source is connected to the emitter of the additional bipolar transistor (21) through an additional resistor 23. 2. Арсенид-галлиевый операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля по п. 1, отличающийся тем, что первый (16) и второй (17) вспомогательные источники опорного тока на каскодных составных полевых транзисторах, а также источник опорного тока (13) промежуточного каскада выполнены по идентичным каскодным схемам, содержащим четвертый (24) и пятый (25) дополнительные полевые транзисторы и согласующий резистор (26), причем сток четвертого (24) дополнительного полевого транзистора соединен с истоком пятого (25) дополнительного полевого транзистора и является выходом первого (16) и второго (17) вспомогательных источников опорного тока, его затвор соединен с истоком пятого (25) дополнительного полевого транзистора и через согласующий резистор (26) подключен ко второй (9) шине источника питания, причем сток пятого (25) дополнительного полевого транзистора соединен с истоком пятого (25) дополнительного полевого транзистора, а затвор пятого (25) дополнительного полевого транзистора связан со второй (9) шиной источника питания.2. A gallium arsenide operational amplifier with a low zero bias voltage according to claim 1, characterized in that the first (16) and second (17) auxiliary sources of the reference current on cascode composite field-effect transistors, as well as the reference current source (13) of the intermediate stage are made according to identical cascode circuits containing the fourth (24) and fifth (25) additional field-effect transistors and a terminating resistor (26), and the drain of the fourth (24) additional field-effect transistor is connected to the source of the fifth (25) additional field-effect transistor and is the output of the first ( 16) and the second (17) auxiliary reference current sources, its gate is connected to the source of the fifth (25) additional field-effect transistor and through a terminating resistor (26) is connected to the second (9) power supply bus, and the drain of the fifth (25) additional field-effect transistor connected to the source of the fifth (25) additional field effect transistor, and the gate of the fifth (25) additional field effect transistor n with the second (9) power supply rail.
RU2022107320A 2022-03-18 Gallium arsenide operational amplifier with a low zero-bias voltage RU2784666C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2784666C1 true RU2784666C1 (en) 2022-11-29

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2813370C1 (en) * 2023-11-21 2024-02-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Precision gallium arsenide operational amplifier with low level of systematic component of zero offset voltage and high gain

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5952882A (en) * 1998-01-22 1999-09-14 Maxim Integrated Products, Inc. Gain enhancement for operational amplifiers
US6144234A (en) * 1996-12-26 2000-11-07 Canon Kabushiki Kaisha Sample hold circuit and semiconductor device having the same
US7411451B2 (en) * 2006-04-03 2008-08-12 Texas Instruments Incorporated Class AB folded cascode stage and method for low noise, low power, low-offset operational amplifier
RU2640744C1 (en) * 2016-11-30 2018-01-11 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Cascode differential operational amplifier
RU2710930C1 (en) * 2019-07-15 2020-01-14 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Differential amplifier on complementary field-effect transistors with high stability of static mode

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6144234A (en) * 1996-12-26 2000-11-07 Canon Kabushiki Kaisha Sample hold circuit and semiconductor device having the same
US5952882A (en) * 1998-01-22 1999-09-14 Maxim Integrated Products, Inc. Gain enhancement for operational amplifiers
US7411451B2 (en) * 2006-04-03 2008-08-12 Texas Instruments Incorporated Class AB folded cascode stage and method for low noise, low power, low-offset operational amplifier
RU2640744C1 (en) * 2016-11-30 2018-01-11 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Cascode differential operational amplifier
RU2710930C1 (en) * 2019-07-15 2020-01-14 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Differential amplifier on complementary field-effect transistors with high stability of static mode

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2813370C1 (en) * 2023-11-21 2024-02-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Precision gallium arsenide operational amplifier with low level of systematic component of zero offset voltage and high gain

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2710917C1 (en) Analogue microcircuit output cascade on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2784666C1 (en) Gallium arsenide operational amplifier with a low zero-bias voltage
RU2390916C1 (en) Precision operational amplifier
RU2412535C1 (en) Differential operating amplifier
RU2321159C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2416155C1 (en) Differential operating amplifier
RU2687161C1 (en) Buffer amplifier for operation at low temperatures
RU2710846C1 (en) Composite transistor based on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2792710C1 (en) Multichannel differential amplifier based on gallium arsenide field-effect and bipolar transistors
RU2813140C1 (en) Gallium arsenide operational amplifier
RU2621289C1 (en) Two-stage differential operational amplifier with higher gain
RU2812914C1 (en) Low offset gallium arsenide op amp
RU2411637C1 (en) Precision operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2770912C1 (en) Differential amplifier on arsenide-gallium field-effect transistors
RU2416150C1 (en) Differential operating amplifier
RU2822991C1 (en) Class ab differential cascade with current outputs matched with different power supply buses
RU2416149C1 (en) Differential operating amplifier with low zero offset voltage
RU2773907C1 (en) Operational amplifier based on "inverted" cascode and complementary field transistors
RU2771316C1 (en) Gallium buffer amplifier
RU2822157C1 (en) Operational amplifier based on wide-band semiconductors
RU2813281C1 (en) Gallium arsenide operational amplifier based on pnp bipolar and field-effect transistors with control pn junction
RU2815912C1 (en) Resistorless gallium arsenide differential cascade and operational amplifier based on it with low zero offset voltage
RU2621287C2 (en) Multidifferential operational amplifier
RU2390921C1 (en) Operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2814685C1 (en) Gallium arsenide operational amplifier for operation in wide temperature range