СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Аннотация
Разработка и проектирование арсенид-галлиевых (GaAs) аналоговых функциональных узлов в
современной микроэлектронике (операционных усилителях, выходных каскадах, и др.) находится
на начальном этапе развития. Это связано с тем, что GaAs широкозонные полупроводники в на-
стоящее время позиционируются преимущественно для сильноточной и сверхвысокочастотной
электроники (например, применения в источниках питания, усилителях мощностии т.п.). Для соз-
дания микромощной аналоговой компонентной базы, работающей в тяжелых условиях эксплуа-
тации, например, при воздействии высоких температур (+300…+350°С) и радиации, необходима
разработка специальных GaAs схемотехнических решений, учитывающих параметры и ограниче-
ния соответствующих технологических процессов. Предлагается семейство выходных каскадов,
защищенных 5 патентами РФ, для различных модификаций GaAs микромощных операционных
усилителей, которые могут быть реализованы на совмещенном GaAs технологическом процессе,
позволяющем создавать n-канальные полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и GaAs
биполярные p-n-p транзисторы. Рассматриваемые схемы выходных каскадов отличаются друг
от друга величинами входных и выходных сопротивлений, статическим током потребления, схе-
мотехникой цепей установления статического режима, частотным диапазоном, максимальными
амплитудами положительного и отрицательного выходного напряжения и т.п. Приведены ре-
зультаты сравнительного компьютерного моделирования статического режима, амплитудных и
амплитудно-частотных характеристик выходных каскадов в среде LTspice. Предлагаемые схе-
мотехнические решения рекомендуются для применения в GaAs микромощных операционных уси-
лителях нового поколения, а также для использования в составе различных GaAs аналоговых мик-
роэлектронных устройств, в т.ч. работающих в тяжелых условиях эксплуатации: воздействия
проникающей радиации и низких температур. При мелкосерийном производстве предложенных
выходных каскадов рекомендовано их выполнение на GaAs технологическом процессе, осваиваемом
Минским Научно-Исследовательским Институтом Радиоматериалов (ОАО «МНИИРМ»,
г. Минск, Республика Беларусь), который допускает работу предлагаемых схем в условиях высоких
температур (до +300…+350 оС), а также при воздействии проникающей радиации с поглощенной
дозой гамма-квантов (до 1 Мрад) и потока нейтронов (до 1013 н/см2).
Литература
Electronics. – 2022. – Vol. 37, No. 12. – P. 14831-14849. – DOI: 10.1109/TPEL.2022.3148192.
2. Dreike P.L. et al. An overview of high-temperature electronic device technologies and potential applications
// IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology: Part A.
– 1994. – Vol. 17, No. 4. – P. 594-609. – DOI: 10.1109/95.335047.
3. Wiirfl J., Janke B., Nebauer E., Thierbach S. and Wolter P., High Temperature MESFET Based Integrated
Circuits Operating up to 300°C // IEDM. – P. 96-219.
4. Song Y., Kim M.E., Oki A.K., Hafizi M.E., Camou J.B. and Kobayashi K.W. Radiation hardness characteristics
of GaAs/AlGaAs heterojunction bipolar transistors // 11th Annual Gallium Arsenide Integrated
Circuit (GaAs IC). – 1989. – P. 155-158. – DOI: 10.1109/GAAS.1989.69316.
5. Beasom J.D., Patterson R.B. Process Characteristics and Design Methods for a 300°C Quad Operational
Amplifier // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 1982. – Vol. 2. – P. 112-117. – DOI:
10.1109/TIE.1982.356646.
6. Doerbeck F.H., Duncan W.M., Mclevige W.V. and Yuan H.T. Fabrication and High-Temperature
Characteristics of Ion-Implanted GaAs Bipolar Transistors and Ring-Oscillators // IEEE Transactions
on Industrial Electronics. – 1982. – Vol. 2. – P. 136-139. – DOI: 10.1109/TIE.1982.356650.
7. Fresina M. Trends in GaAs HBTs for wireless and RF // IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology
Meeting. – 2011. – P. 150-153. – DOI: 10.1109/BCTM.2011.6082769.
8. Zampardi P.J., Sun M., Cismaru C., Li J. Prospects for a BiCFET III-V HBT Process // IEEE Compound
Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS). – 2012. – P. 1-3. – DOI:
10.1109/CSICS.2012.6340116.
9. Liu W., Hill D., Costa D., Harris J.S. High-performance microwave AlGaAs-InGaAs Pnp HBT with high-
DC current gain // IEEE Microwave and Guided Wave Letters. – 1992. – Vol. 2, No. 8. – P. 331-333.
– DOI: 10.1109/75.153604.
10. Peatman W. et al. InGaP-Plus™: advanced GaAs BiFET technology and applications, CS MANTECH
Conference, 2007, pp. 243-246.
11. Dvornikov O.V., Pavlyuchik A.A., Prokopenko N.N., Chekhovskiy V.A i dr. Unifitsirovannye
skhemotekhnicheskie resheniya analogovykh arsenid-gallievykh mikroskhem [Unified circuit design
solutions for analog gallium arsenide microcircuits], Izvestiya vuzov. Elektronika [News of universities.
Electronics], 2022, Vol. 27, No. 4, pp. 475-488. DOI: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-
27-4-475-488.
12. Carter B., Mancini R. Op Amps for Everyoneб 2017. ISBN: 9780128116470.
13. Enns V.I., Kobzev Yu.M. Proektirovanie analogovykh KMOP-mikroskhem: kratkiy spravochnik
razrabotchika [Design of analog CMOS integrated circuits: a developer's quick reference], 2015.
2nd ed., pp. 445-446.
14. Prokopenko N.N., Zhuk A.A., Bugakova A.V. Arsenid-gallievyy bufernyy usilitel', № RU 2784046 ot
2022 [Gallium arsenide buffer amplifier, No. RU 2784046 dated 2022].
15. Prokopenko N.N., Zhuk A.A., Titov A.E. Neinvertiruyushchiy vykhodnoy kaskad arsenid-gallievogo
operatsionnogo usilitelya, № RU 2784049 ot 2022 [Non-inverting output stage of a gallium arsenide
operational amplifier, No. RU 2784049 of 2022].
16. Savchenko E.M., Prokopenko N.N., Zhuk A.A., Pronin A.A. i dr. Arsenid-gallievyy bufernyy usilitel' na
polevykh i bipolyarnykh p-n-p tranzistorakh, № RU 2788498 ot 2023 [Gallium arsenide buffer amplifier
on field-effect and bipolar p-n-p transistors, No. RU 2788498 of 2023].
17. Prokopenko N.N. Nelineynaya aktivnaya korrektsiya v pretsizionnykh analogovykh mikroskhemakh:
monografiya [Nonlinear active correction in precision analog microcircuits: monograph]. Rostov-on-
Don, 2000, 223 p.
18. Prokopenko N.N., Nikulichev N.N. Nelineynaya korrektsiya na osnove upravlyaemykh kommutatorov
toka i napryazheniya v analogovykh mikroskhemakh: monografiya [Nonlinear correction based on
controlled current and voltage switches in analog microcircuits: monograph]. Shakhty, 2006, 115 p.
19. Prokopenko N.N., Zhuk A.A., Kunts A.V., Gavlitskiy A.I. Arsenid-gallievyy bufernyy usilitel' na osnove nkanal'nykh
polevykh i p-n-p bipolyarnykh tranzistorov, № RU 2784376 ot 2022 [Gallium arsenide buffer
amplifier based on n-channel field-effect and p-n-p bipolar transistors, No. RU 2784376 of 2022].
20. Prokopenko N.N., Chumakov V.E., Kunts A.V., Zhuk A.A. Arsenid-gallievyy vykhodnoy kaskad
bystrodeystvuyushchego operatsionnogo usilitelya, № RU 2773912 ot 2022 [Gallium arsenide output
stage of a high-speed operational amplifier, No. RU 2773912 of 2022].
