Низкотемпературный мультидифференциальный операционный усилитель

В статье рассмотрен мультидифференциальный операционный усилитель, названный OAmp3, предназначенный для работы при температуре до минус 197 °С и разработанный на биполярных и полевых транзисторах, управляемых p-n-переходом, базового матричного кристалла МН2ХА030. Схемотехнические особенности OAmp3 позволяют за счет применения различных цепей отрицательной обратной связи реализовать на одном усилителе необходимый для обработки сигнала набор функций: усиление (или преобразование ток – напряжение), фильтрацию, сдвиг постоянного уровня выходного напряжения. Выполненные измерения OAmp3, включенного по схеме инструментального усилителя, показали, что все изготовленные изделия сохраняют свою работоспособность в диапазоне температур от минус 150 °С до 20 °С, а отдельные образцы – при минус 197 °С. Установлено, что основной причиной потери работоспособности OAmp3 является увеличение сопротивления полупроводниковых резисторов почти в 5,4 раза при минус 197 °С по сравнению с нормальными условиями и уменьшение тока стока полевого транзистора, управляемого p-n-переходом. Совместно указанные факторы приводят к уменьшению тока потребления OAmp3 почти в 31 раз при минус 180 °С по сравнению с нормальными условиями. Для уменьшения температурной зависимости тока потребления и, таким образом, сохранения работоспособности OAmp3 при низких температурах без изменений технологического маршрута изготовления интегральных микросхем предложено заменить высокоомные полупроводниковые резисторы на «пинч-резисторы», сформированные на малосигнальном p-канальном полевом транзисторе, управляемом p-n-переходом. В статье приведена схема включения OAmp3 в виде инструментального усилителя, методика и результаты низкотемпературных измерений экспериментальных образцов.

1. Patterson R.L., Elbuluk M., Hammoud A. Assessment of electronics for cryogenic space exploration missions. Cryogenics. 2006;46(2-3):231-236.

2. Дворников О.В., Прокопенко Н.Н., Пахомов И.В., Игнашин А.А., Бугакова А.В. Прецизионный радиационно-стойкий BIJFET операционный усилитель для низкотемпературных аналоговых интерфейсов датчиков. Глобальная ядерная безопасность. 2017;1(22):36-45.

3. Гулин А.И., Дворников О.В., Прокопенко Н.Н., Бугакова А.В. Проектирование радиационно-стойких BiJFET операционных усилителей для работы в аналоговых интерфейсах датчиков при низких температурах. Датчики и системы. 2017;12:3-10.

4. Dvornikov O.V., Tchekhovski V.А., Dziatlau V.L., Prokopenko N.N., Butyrlagin N.V. Design of LowTemperature DDOAs on the Elements of BiJFet Array Chip MH2XA030. Serbian Journal Of Electrical Engineering. June 2018;15(2):233-247.

5. Dvornikov O.V., Tchekhovski V.А., Prokopenko N.N., Bugakova A.V., Maliy I.V. Cryogenic Operational Amplifier on Complementary JFETs. Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2018), Kazan, Russia, September 14–17, 2018: 901-905.

6. Dvornikov O.V., Tchekhovski V.А., Prokopenko N.N., Bugakova A. V., Dziatlau V.L. Basic Parameters and Characteristics of the Op-Amp Based on the BiJFet Array Chip MH2XA030 Intended for the Design of Radiation-Hardened and Cryogenic Analog ICs. 2018 14th International Scientific technical Conference On Actual Problems Of Electronic Instrument Engineering (APEIE) – 44894. Proceedings, Novosibirsk, Russia, October 2–6, 2018: 200-207. DOI: 10.1109/APEIE.2018.8545562.

7. Dvornikov O.V., Tchekhovski V.А., Prokopenko N.N., Bugakova A.V., Dziatlau V.L. BiJFet Array Chip MH2XA030 – a Design Tool for Radiation-Hardened and Cryogenic Analog Integrated Circuits. 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), October 22–23, 2018, St. Petersburg, Russia. DOI: 10.1109/EExPolytech.2018.8564415.WOS:000454986000003.

8. Прокопенко Н.Н., Дворников О.В., Будяков П.С. Основные свойства, параметры и базовые схемы включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 2014;2:51-62.

9. Dvornikov O.V., Tchekhovski V.A., Dziatlau V.L., Prokopenko N.N. The main characteristics of SiGe HBTs at low temperatures. Вісник Національного технічного університету України «КПІ». Серія Радіотехніка. Радіоапаратобудування. 2016;66:87-96.

10. Зайцев Ю.В., Громов В.С., Григораш Т.С. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи. Москва: Радио и связь; 1985.