ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С УПРАВЛЯЮЩИМ PN-ПЕРЕХОДОМ

Н. Н. Прокопенко; В.Е. Чумаков; А.В. Бугакова; А. Е. Титов

Н. Н. Прокопенко Донской государственный технический университет
В.Е. Чумаков Донской государственный технический университет
А.В. Бугакова Донской государственный технический университет
А. Е. Титов Южный федеральный университет

Ключевые слова: Аналоговые интерфейсы датчиков, операционный усилитель, комплементарные полевые транзисторы с управляющим pn-переходом, тяжелые условия эксплуатации, систематическая составляющая напряжения смещения нуля

Аннотация

Систематическая составляющая напряжения смещения нуля (Uсм) двухкаскадных
BJT и CMOS операционных усилителей (ОУ) с классической архитектурой существенно
зависит от численных значений (отличия от единицы) коэффициента передачи по току
(Ki≈1) применяемых токовых зеркал (ТЗ). На данный параметр ТЗ оказывает также влия-
ние напряжения Эрли их доминирующих активных компонентов. Поэтому, токовые JFET
зеркала являются сегодня слабым звеном в современной JFET аналоговой схемотехнике и
их нецелесообразно применять в структуре JFET ОУ. В статье поставлена и решена зада-
ча об условиях исключения ТЗ в ОУ на основе полевых транзисторов с управляющим pn-
переходом для случая, когда необходимо получить малое значение Uсм. Предлагаются вари-
анты практических схем входных (ВК) и промежуточных (ПК) каскадов микроэлектрон-
ных операционных усилителей на комплементарных полевых транзисторах с управляющим
pn-переходом (CJFET). Их основная особенность – отсутствие токового зеркала, которое
при реализации на CJFET отрицательно влияет на основные параметры ОУ по система-
тической составляющей напряжения смещения нуля, коэффициентам ослабления входного
синфазного сигнала и подавления помех по шинам питания. В этой связи перспективны
схемы ВК и ПК, которые не используют данный CJFET функциональный узел. Приведены
схемы операционных усилители на основе разработанных ВК с разомкнутым коэффициен-
том усиления более 80 дБ и систематической составляющей напряжения смещения нуля впределах 300мкВ при малом токопотреблении в статическом режиме. Актуальность вы-
полненных исследований заключается в необходимости развития теории проектирования
высокоточных JFET и CJFET IP-модулей для применения в структурах малошумящих ана-
логовых интерфейсов датчиков различных физических величин, в том числе работающих в
тяжелых условиях эксплуатации (воздействие низких температур и радиации). Предла-
гаемые схемы могут быть реализованы на широкозонных полупроводников (SiC JFET,
GaN JFET или GaAs JFET).

Литература

1. Johns D., Martin K. Analog integrated circuit design // John Wiley & Sons. New York, 2011.
2nd ed., 819 p.
2. Bharath R.R., Gowda S.K. Design and Analysis of CMOS Two Stage OP-AMP in 180nm and
45nm Technology, IJERT, 2015, Vol. 4. No. 5, pp. 1100-1103.
3. Shukla N., Kaur J. Analysis of Two Stage CMOS Opamp using 90nm Technology, IJET,
2017, Vol. 9, pp. 66-72. DOI: 10.21817/ijet/2017/v9i3/170903S013.
4. Bryant J. Current-output circuit techniques add versatility to your analog toolbox, Analog
Dialogue, 2014, Vol. 48, pp. 2.
5. Bastan Y., Hamzehil E., Amiri P. Output impedance improvement of a low voltage low power
current mirror based on body driven technique, Microelectronics Journal, 2016, Vol. 56,
pp. 163-170.
6. Aggarwal B., Gupta M., Gupta A.K. A comparative study of various current mirror
configurations: Topologies and characteristics, Microelectronics Journal, 2016, Vol. 53,
pp. 134-155.
7. Snoeij M. A 36V 48MHz JFET-Input Bipolar Operational Amplifier with 150μV Maximum Offset
and Overload Supply Current Control, ESSCIRC 2018-IEEE 44th European Solid State Circuits
Conference (ESSCIRC). IEEE, 2018, pp. 290-293. DOI: 10.1109/ESSCIRC.2018.8494262.
8. Alnasser E. A Novel Low Output Offset Voltage Charge Amplifier for Piezoelectric Sensors,
IEEE Sensors Journal, 2020, Vol. 20, No. 10, pp. 5360-5367. DOI: 10.1109/JSEN.2020.2970839.
9. Bugakova A., Prokopenko N., Titov A. Design of Low-Temperature and Radiation-Hardened JFET
Direct Coupled Op-Amps without Current Mirrors, 2020 European Conference on Circuit Theory
and Design (ECCTD). IEEE, 2020, pp. 1-4. DOI: 10.1109/ECCTD49232.2020.9218291.
10. Dvornikov O.V., Dziatlau V.L., Tchekhovski V.A., Prokopenko N.N., Zhuk A.A., Bugakova A.V.
Modernization of Low-Temperature JFET Models Built into LTspice CAD Systems, Taking
into Account the Results of their Experimental Study, 2020 IEEE Latin America Electron Devices
Conference (LAEDC). IEEE. 202, pp. 1-4. DOI: 10.1109/LAEDC49063.2020.9073004.
11. Drozdov D.G., Prokopenko N.N., Savchenko E.M., Dukanov P.A., Rodin V.G., Grushin A.I.
Technological and devices modeling of complementary JFETs over a wide temperature range,
Microelectronics Journal, 2020, Vol. 105, pp. 104911.
12. Zhuk A.A., Savchenko E.M., Drozdov D.G., Budyakov P.S. Eksperimental'nye issledovaniya
osnovnykh parametrov CJFET tranzistorov s razlichnymi konstruktsiyami dlya zadach
proektirovaniya interfeysov datchikov pri vozdeystvii nizkikh temperatur i radiatsii [Experimental
studies of the main parameters of CJFET transistors with various designs for the problems
of designing sensor interfaces under the influence of low temperatures and radiation],
Fiziko-tekhnicheskie problemy v nauke, promyshlennosti i meditsine [Physical and technical
problems in science, industry and medicine], 2019, pp. 224-224.
13. Petrosyants K.O., Ismail-zade M.R., Sambursky L.M., Dvornikov O.V., Lvov B.G., Kharitonov I.A.
Automation of parameter extraction procedure for Si JFET SPICE model in the – 200…+ 110° C
temperature range, 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies
(MWENT). IEEE, 2018, pp. 1-5. DOI: 10.1109/MWENT.2018.8337212.
14. Sotskov D. I., Usachev N. A., Elesin V. V., Metelkin I. O., Zhidkov N. M., Nikiforov A. Y. Compact
Models for Radiation Hardening by Design of SiGe BiCMOS, GaAs and SOI CMOS Microwave
Circuits, 2021 International Siberian Conference on Control and Communications
(SIBCON). IEEE, 2021, pp. 1-5. DOI: 10.1109/MWENT.2018.8337212.
15. Llaria A., Jiménez J., Bidarte U., Curea O. Operational Amplifiers in Discrete Time Control
Systems: Influence of the Rail-to-Rail Feature on their Performance, WSEAS Transactions on
Electronics, 2008, Vol. 5, pp. 25-34.
16. Berry C.A., Walter D.J. Application of Operational Amplifiers, Fundamentals of Industrial
Electronics. CRC Press, 2018, pp. 5-1-5-30.
17. Dubovoy S.S., Shiksha I.O., Titov I.L. Kontrol' raboty elektricheskikh, elektronnykh ustanovok
i sistem upravleniya na primere sovremennykh elektronnykh usiliteley [Control of the operation
of electrical, electronic installations and control systems on the example of modern electronic
amplifiers], Sovremennye tendentsii prakticheskoy podgotovki v morskom obrazovanii
[Modern trends in practical training in maritime education], 2020, pp. 14-21.
18. Neudeck P., Spry D., Krasowski M., Chen L., Prokop N., Greer L., Chang, C. Progressing-190° C
to+ 500° C Durable SiC JFET ICs From MSI to LSI, 2020 IEEE International Electron Devices
Meeting (IEDM). IEEE, 2020, pp. 27.2. 1-27.2. 4. DOI: 10.1109/IEDM13553.2020.9371953.
19. Patterson R.L., Hammoud A., Dickman J.E., Gerber S., Elbuluk M. and Overton E. Electronics
for deep space cryogenic applications, Low Temperature Electronics, 2002: Proceedings of the
5th European Workshop on, 2002, pp. 207-210.
20. Vikulin I., Gorbachev V., Gorbacheva A., Krasova V., Litvinenko V. Radiation resistant FETbased
Temperature Sensor for End Devices of IoT, 2019 3rd International Conference on Advanced
Information and Communications Technologies (AICT). IEEE. 2019, pp. 272-277.
DOI: 10.1109/AIACT.2019.8847905.
21. Bakerenkov A., Pershenkov V., Felitsyn V., Rodin A., Telets V., Belyakov V., Zhukov A.,
Gluhov N. Correlation between Temperature and Dose Rate Dependences of Input Bias Current
Degradation in Bipolar Operational Amplifiers, 2019 IEEE 31st International Conference
on Microelectronics (MIEL). IEEE. 2019, pp. 341-344. DOI: 10.1109/MIEL.2019.8889589.