Токовое зеркало

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве функционального узла различных устройств усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), компараторах, стабилизаторах и т.п.). Токовое зеркало содержит входной транзистор (1), эмиттер которого связан с первой (2) шиной источника питания, а коллектор подключен ко входу (3) токового зеркала, выходной транзистор (4), эмиттер которого связан с первой (2) шиной источника питания, а коллектор соединен с выходом токового зеркала, первый транзистор (6) цепи ООС, база которого соединена с коллектором входного транзистора (1), а коллектор подключен ко входу (7) инвертирующего усилителя тока (8), причем базы входного (1) и выходного (4) транзисторов объединены и соединены с выходом (9) инвертирующего усилителя тока (8), а общий вывод (10) инвертирующего усилителя тока (8) связан со второй (11) шиной источника питания. Эмиттер первого (6) транзистора цепи отрицательной обратной связи соединен с дополнительным источником напряжения смещения (12). Технический результат - повышение точности передачи по току. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве функционального узла различных устройств усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), компараторах, стабилизаторах и т.п.).

Основой большинства современных операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, компараторов являются так называемые «токовые зеркала» (повторители тока) [1-56]. В патентной литературе эти устройства с одним и тем же функциональным назначением присутствуют в классе H03F, а также классах G05F, Н03К МПК. Качественные показатели многих аналоговых устройств определяются сегодня параметрами токовых зеркал. Именно этим объясняется большое число патентов, посвященных данному подклассу функциональных узлов [1-56].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является токовое зеркало, описанное в патенте США №3887879, содержащее входной транзистор 1, эмиттер которого связан с первой 2 шиной источника питания, а коллектор подключен ко входу 3 токового зеркала, выходной транзистор 4, эмиттер которого связан с первой 2 шиной источника питания, а коллектор соединен с выходом токового зеркала, первый транзистор 6 цепи ООС, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1, а коллектор подключен ко входу 7 инвертирующего усилителя тока 8, причем базы входного 1 и выходного 4 транзисторов объединены и соединены с выходом 9 инвертирующего усилителя тока 8, а общий вывод 10 инвертирующего усилителя тока 8 связан со второй 11 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно не обеспечивает высокую точность передачи по току в том случае, если статические потенциалы на коллекторах входного 1 и выходного 4 транзисторов существенно отличаются друг от друга. Следует отметить, что такой режим работы токовых зеркал характерен при их использовании в схемах многих операционных усилителей (ОУ) с типовой архитектурой. Вследствие этого недостатка известного устройства напряжение смещения нуля ОУ на его основе измеряется единицами милливольт. В большинстве случаев это неприемлемо.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении точности передачи по току токового зеркала и, как следствие, в уменьшении напряжения смещения нуля и повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала в операционных усилителях на его основе.

Поставленная цель достигается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем входной транзистор 1, эмиттер которого связан с первой 2 шиной источника питания, а коллектор подключен ко входу 3 токового зеркала, выходной транзистор 4, эмиттер которого связан с первой 2 шиной источника питания, а коллектор соединен с выходом токового зеркала, первый транзистор 6 цепи ООС, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1, а коллектор подключен ко входу 7 инвертирующего усилителя тока 8, причем базы входного 1 и выходного 4 транзисторов объединены и соединены с выходом 9 инвертирующего усилителя тока 8, а общий вывод 10 инвертирующего усилителя тока 8 связан со второй 11 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер первого 6 транзистора цепи отрицательной обратной связи соединен с дополнительным источником напряжения смещения 12.

Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на фиг.2.

На фиг.3 показана схема «перегнутого» каскодного операционного усилителя (ОУ) с заявляемым токовым зеркалом по п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 изображен другой пример применения заявляемого токового зеркала (п.3 формулы изобретения) в структуре ОУ.

На фиг.5 показан пример реализации дополнительного источника напряжения смещения 12 (п.4 формулы изобретения).

На фиг.6 показана схема токового зеркала - прототипа в структуре ОУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь напряжение смещения нуля U_см=15,3 мВ.

На фиг.7 показана схема операционного усилителя на базе заявляемого токового зеркала в среде компьютерного моделирования PSpice. Здесь напряжение смещения нуля U_см=-39,5 мкВ.

На фиг.8 представлена другая схема операционного усилителя на базе токового зеркала - прототипа в структуре ОУ в среде компьютерного моделирования PSpice. Здесь напряжение смещения нуля U_см=15 мВ.

На фиг.9 показана схема операционного усилителя на базе заявляемого токового зеркала (аналогичная схеме фиг.8) в среде PSpice. Здесь напряжение смещения нуля U_см=8 мкВ.

На фиг.10 представлены логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению К_у операционных усилителей фиг.8 и 9. Анализ этих характеристик показывает, что ОУ с предлагаемым токовым зеркалом фиг.9 имеет более чем на три порядка (70 дБ) лучшие значения коэффициента усиления К_у в диапазоне низких частот, чем ОУ на базе известного токового зеркала (фиг.8).

Токовое зеркало фиг.2 содержит входной транзистор 1, эмиттер которого связан с первой 2 шиной источника питания, а коллектор подключен ко входу 3 токового зеркала, выходной транзистор 4, эмиттер которого связан с первой 2 шиной источника питания, а коллектор соединен с выходом токового зеркала, первый транзистор 6 цепи ООС, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1, а коллектор подключен ко входу 7 инвертирующего усилителя тока 8, причем базы входного 1 и выходного 4 транзисторов объединены и соединены с выходом 9 инвертирующего усилителя тока 8, а общий вывод 10 инвертирующего усилителя тока 8 связан со второй 11 шиной источника питания. Эмиттер первого 6 транзистора цепи отрицательной обратной связи соединен с дополнительным источником напряжения смещения 12.

В устройстве фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения напряжение дополнительного источника напряжения смещения 12 приблизительно равно напряжению на выходе 5 токового зеркала. В данной схеме роль источника сигнала, подключаемого ко входу 3, и нагрузки, подключаемой к выходу 5, выполняет «перегнутый» каскодный усилитель 13 на транзисторах 14, 15 и резисторах 16, 17. На токовые входы Вх.1 и Вх.2 подается сигнал, например, от входного дифференциального каскада (на схеме не показан).

На фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения дополнительный источник напряжения смещения 12 выполнен в виде буферного усилителя 18, вход которого соединен с выходом токового зеркала 5, а выход 19 подключен к эмиттеру первого транзистора 6 цепи отрицательной обратной связи. В данной схеме роль источника сигнала, подключаемого ко входу 3 токового зеркала, и нагрузки, подключаемой к выходу 5, выполняет каскодный усилитель 20 на транзисторах 21, 22. На его потенциальные входы Bx.u₁ и Bx.u₂ подаются напряжения от источников сигналов u₁, u₂.

На фиг.5 в соответствии с п.4 формулы изобретения буферный усилитель 18 реализован в виде эмиттерного повторителя на дополнительном транзисторе 24, тип проводимости которого идентичен типу проводимости первого 6 транзистора цепи отрицательной обратной связи, и дополнительном двухполюснике 25.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.

В статическом режиме при U₁₂≈U₅ токи в схеме фиг.2 устанавливаются следующие токи

где К_i12.8 - коэффициент усиления по току инвертирующего усилителя тока 8;

I_б - ток базы; I_к - ток коллектора; I_э - ток эмиттера транзисторов.

Таким образом, при U₁₂≈U₅ коэффициент передачи по току предлагаемого устройства не зависит от глубины внутренней обратной связи транзисторов 1 и 4 и близок к единице:

Следовательно, заявляемое устройство выполняет функции токового зеркала и может применяться в аналоговых устройствах по данному функциональному назначению. При этом единичный коэффициент передачи по току обеспечивается в широком диапазоне изменения I_вх (два-три порядка).

Особенность предлагаемого токового зеркала состоит в том, что в нем обеспечивается «выравнивание» статических напряжений на входе 3 и выходе 5 за счет соответствующего выбора напряжения на дополнительном источнике смещения 12. Это также обеспечивает существенное уменьшение U_см. Кроме этого, подключение эмиттера транзистора 6 к выходу 19 буферного усилителя 18 (фиг.4) создает условия для уменьшения погрешности токового зеркала за счет взаимной компенсации влияния токов базы транзисторов 6 и 24 (фиг.5) на U_см:

I_б6≈I_б24.

Последнее равенство обеспечивается соответствующим выбором токов двухполюсников 23 и 25 (фиг.4, 5).

Замечательная особенность токового зеркала фиг.4 состоит также в том, что при его использовании в операционных усилителях коэффициент усиления ОУ по напряжению К_у существенно повышается. Это связано с эффектом взаимной компенсации влияния паразитных выходных проводимостей в узле 5 на коэффициент усиления.

За счет предлагаемого токового зеркала в ОУ на его основе также существенно повышается коэффициент ослабления синфазных сигналов (К_ос.сф) и коэффициент подавления помехи по питанию (К_пп). Этот эффект объясняется тем, что коэффициент передачи по току предлагаемых схем более близок к единице, чем в известном устройстве. В целом это повышает К_ос.сф и К_пп, уменьшает u_см.

Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем токового зеркала в среде PSpice.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент РФ №1329639.

2. Патент США №3681623.

3. Патент США №3813607.

4. Патент США №3835410.

5. Патент США №4008441 H03F 3/16.

6. Патент США №4013973.

7. Патент США №4030044 (фиг.3).

8. Патент США №4057763.

9. Патент США №4095189.

10. Патент США №4117417.

11. Патент США №4241315.

12. Патент США №4345213.

13. Патент США №4412186 H03F 3/04.

14. Патент США №4462005 H03F 3/04.

15. Патент США №4471236.

16. Патент США №4473794.

17. Патент США №4567444.

18. Патент США №4591804 H03F 3/04.

19. Патент США №4769619.

20. Патент США №4855686.

21. Патент США №4879524 H03F 3/26.

22. Патент США №4897614.

23. Патент США №4937515 G05F 3/26.

24. Патент США №4990864.

25. Патент США №5053718.

26. Патент США №5079518 Н03К 3/16.

27. Патент США №5164658.

28. Патент США №5357188 G05F 3/26.

29. Патент США №5373253.

30. Патент США №5394079 G05F 3/16.

31. Патент США №5399991.

32. Патент США №5512815 G05F 3/16.

33. Патент США №5572114.

34. Патент США №5633612.

35 Патент США №5721512.

36. Патент США №5933055.

37. Патент США №5969574.

38. Патент США №5986507.

39. Патент США №6016050.

40. Патент США №6570438.

41. Патент США №6573795.

42. Патент США №6586918.

43. Патент США №6606001.

44. Патент США №6291977.

45. Патент США №6300803.

46. Патент США №6528981.

47. Патент США №6630818.

48. Патент США №6633198.

49. Патент США №6639452.

50. Патент США №6657481.

51. Патент США №6677807.

52. Патент США №6680605.

53. Патент США №6816014.

54. Патент РФ RU 2193273.

55. Патентная заявка США 2004/081688.

56. Патентная заявка США 2003/0030492.

1. Токовое зеркало, содержащее входной транзистор (1), эмиттер которого связан с первой (2) шиной источника питания, а коллектор подключен ко входу (3) токового зеркала, выходной транзистор (4), эмиттер которого связан с первой (2) шиной источника питания, а коллектор соединен с выходом токового зеркала, первый транзистор (6) цепи ООС, база которого соединена с коллектором входного транзистора (1), а коллектор подключен ко входу (7) инвертирующего усилителя тока (8), причем базы входного (1) и выходного (4) транзисторов объединены и соединены с выходом (9) инвертирующего усилителя тока (8), а общий вывод (10) инвертирующего усилителя тока (8) связан со второй (11) шиной источника питания, отличающееся тем, что эмиттер первого (6) транзистора цепи отрицательной обратной связи соединен с дополнительным источником напряжения смещения (12).

2. Токовое зеркало по п.1, отличающееся тем, что напряжение дополнительного источника напряжения смещения (12) приблизительно равно напряжению на выходе (5) токового зеркала.

3. Токовое зеркало по п.1, отличающееся тем, что дополнительный источник напряжения смещения (12) выполнен в виде буферного усилителя (18), вход которого соединен с выходом токового зеркала (5), а выход (19) подключен к эмиттеру первого транзистора (6) цепи отрицательной обратной связи.

4. Токовое зеркало по п.3, отличающееся тем, что буферный усилитель (18) реализован в виде эмиттерного повторителя на дополнительном транзисторе (24), тип проводимости которого идентичен типу проводимости первого (6) транзистора цепи отрицательной обратной связи, и дополнительном двухполюснике (25).