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), стабилизаторах напряжения, компараторах). Токовое зеркало содержит входной (1) и выходной (2) транзисторы, базы которых объединены, а эмиттеры подключены к шине (3) первого источника питания через первый (4) и второй (5) вспомогательные резисторы, причем коллектор входного транзистора (1) связан со входом (6) токового зеркала, а коллектор выходного транзистора (2) соединен с выходом (7) токового зеркала. В схему введены первый (8) и второй (9) повторители тока, причем вход (10) первого повторителя тока (8) соединен с объединенными базами входного (1) и выходного (2) транзисторов, общий вход (11) первого повторителя тока (8) соединен со входом (6) токового зеркала, выход (12) первого повторителя тока (8) соединен со входом (13) второго повторителя тока (9), общий вход (14) которого соединен с эмиттером входного транзистора (1), а выход (15) связан с цепью смещения статического потенциала (16). Технический результат - повышение точности передачи по току. 11 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), стабилизаторах напряжения, компараторах).

Основой большинства современных операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, компараторов являются так называемые «токовые зеркала» (повторители тока), которые по существу являются управляемыми источниками опорного 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 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 №6.657.481 (фиг.2), содержащее входной 1 и выходной 2 транзисторы, базы которых объединены, а эмиттеры подключены к шине 3 первого источника питания через первый 4 и второй 5 вспомогательные резисторы, причем коллектор входного транзистора 1 связан со входом 6 токового зеркала, а коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 7 токового зеркала. Кроме этого, данное техническое решение описано в патентах США №№3.906.386, 4.158.178, 4.352.057, 4.965.510, 4.700.144, 3.950.708, 6.163.216, 5.220.289, 6.429.744.

Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно не обеспечивает высокую точность передачи по току - его коэффициент передачи К_i=I_вых/I_вх отличается от единицы. Следует отметить, что такой режим работы известных токовых зеркал характерен при их использовании в схемах многих операционных усилителей (ОУ) с типовой архитектурой. Вследствие данного 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 U_см и повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (K_ос.сф) в операционных усилителях на его основе.

Поставленная цель достигается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем входной 1 и выходной 2 транзисторы, базы которых объединены, а эмиттеры подключены к шине 3 первого источника питания через первый 4 и второй 5 вспомогательные резисторы, причем коллектор входного транзистора 1 связан со входом 6 токового зеркала, а коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 7 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 8 и второй 9 повторители тока, причем вход 10 первого повторителя тока 8 соединен с объединенными базами входного 1 и выходного 2 транзисторов, общий вход 11 первого повторителя тока 8 соединен со входом 6 токового зеркала, выход 12 первого повторителя тока 8 соединен со входом 13 второго повторителя тока 9, общий вход 14 которого соединен с эмиттером входного транзистора 1, а выход 15 связан с цепью смещения статического потенциала 16.

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

На фиг.3 и 4 показаны варианты выполнения первого 8 и второго 9 повторителей тока.

На фиг.5 представлена схемная реализация токового зеркала в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», построенная на основе прототипа фиг.1, а на фиг.6 - характеристика, иллюстрирующая зависимость его выходного тока от входного.

На фиг.7 представлена схема заявляемого токового зеркала в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.8 - характеристика, иллюстрирующая зависимость ее выходного тока от входного.

На фиг.9 и 10 показаны зависимости относительной погрешности передачи входного тока у прототипа (фиг.9) и у заявляемого (фиг.10) токового зеркала.

На фиг.11 показана схема фиг.2 с конкретным выполнением (фиг.3 и 4) повторителей тока 8 и 9.

Сравнительный анализ результатов моделирования (фиг.9 и фиг.10) показывает, что точность повторения входного тока I_вх у заявляемого устройства в 6-10 раз выше, чем в схеме прототипа.

Токовое зеркало фиг.2 содержит входной 1 и выходной 2 транзисторы, базы которых объединены, а эмиттеры подключены к шине 3 первого источника питания через первый 4 и второй 5 вспомогательные резисторы, причем коллектор входного транзистора 1 связан со входом 6 токового зеркала, а коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 7 токового зеркала. В схему введены первый 8 и второй 9 повторители тока, причем вход 10 первого повторителя тока 8 соединен с объединенными базами входного 1 и выходного 2 транзисторов, общий вход 11 первого повторителя тока 8 соединен со входом 6 токового зеркала, выход 12 первого повторителя тока 8 соединен со входом 13 второго повторителя тока 9, общий вход 14 которого соединен с эмиттером входного транзистора 1, а выход 15 связан с цепью смещения статического потенциала 16.

Представленные на фиг.3 и 4 частные случаи выполнения первого 8 и второго 10 повторителей тока включают соответственно p-n переход 17 и транзистор 18, а также транзистор 19 и p-n переход 20.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.

В статическом режиме при идентичных сопротивлениях вспомогательных резисторов 4 и 5 (R₄=R₅) в схеме фиг.2 устанавливаются следующие токи:

I_ВХ=I₁₁+I_К1,

При этом I₁₁=4I_б,

I_К1=I_ВХ-4I_б,

I₁₀=I₁₂=2I_б=I₁₃,

где: I_б - ток базы;

I_к - ток коллектора;

I_э - ток эмиттера транзисторов 1 и 2;

I_n - ток n-го двухполюсника.

Так как во втором повторителе тока 9 токи I₁₅ и I₁₃ равны и суммируются друг с другом, то

I₁₄=4I_б.

Учитывая, что при равенстве сопротивлений резисторов 4 и 5 I_R4=I_Э1+I₁₄, I_Э1=I_ВХ-3I_б, I_Э1=I_б1+I_K1, находим

I_R4=I_ВХ-3I_б=(I_ВХ-3I_б)+4I_Б=I_ВХ+I_б,

I_R5=I_Э2=I_ВХ+I_б

I_R4=I_R5

Таким образом, при равенстве сопротивлений R₄=R₅ напряжения на двухполюсниках R4, R5 одинаковы (U_R4=U_R5), а выходной ток заявляемого устройства равен входному:

I_вых=I_вх.

В известном токовом зеркале (фиг.1) погрешность передачи тока зависит от усиления по току базы транзистора 2 (β₂):

Если β₂=10, то ΔI/I_вх=-0,2.

Таким образом, 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).

Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемой схемы в среде PSpice.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент РФ №1.329.639

2. Патент США №3.681.623

3. Патент США №3.813.607

4. Патент США №3.835.410

5. Патент США №4.008.441, H03f 3/16

6. Патент США №4.013.973

7. Патент США №4.030.044 (фиг.3)

8. Патент США №4.057.763

9. Патент США №4.095.189

10. Патент США №4.117.417

11. Патент США №4.241.315

12. Патент США №4.345.213

13. Патент США №4.412.186, H03f 3/04

14. Патент США №4.462.005, H03f 3/04

15. Патент США №4.471.236

16. Патент США №4.473.794

17. Патент США №4.567.444

18. Патент США №4.591.804, H03f 3/04

19. Патент США №4.769.619

20. Патент США №4.855.686

21. Патент США №4.879.524, H03f 3/26

22. Патент США №4.897.614

23. Патент США №4.937.515, G05f 3/26

24. Патент США №4.990.864

25. Патент США №5.053.718

26. Патент США №5.079.518, Н03К 3/16

27. Патент США №5.164.658

28. Патент США №5.357.188, G05f 3/26

29. Патент США №5.373.253

30. Патент США №5.394.079, G05f 3/16

31. Патент США №5.399.991

32. Патент США №5.512.815, G05f 3/16

33. Патент США №5.572.114

34. Патент США №5.633.612

35 Патент США №5.721.512

36. Патент США №5.933.055

37. Патент США №5.969.574

38. Патент США №5.986.507

39. Патент США №6.016.050

40. Патент США №6.570.438

41. Патент США №6.573.795

42. Патент США №6.586.918

43. Патент США №6.606.001

44. Патент США №6.291.977

45. Патент США №6.300.803

46. Патент США №6.528.981

47. Патент США №6.630.818

48. Патент США №6.633.198

49. Патент США №6.639.452

50. Патент США №6.657.481

51. Патент США №6.677.807

52. Патент США №6.680.605

53. Патент США №6.816.014

54. Патент РФ RU 2193273

55. Патентная заявка США 2004/081688

56. Патентная заявка США 2003/0030492

Токовое зеркало, содержащее входной (1) и выходной (2) транзисторы, базы которых объединены, а эмиттеры подключены к шине (3) первого источника питания через первый (4) и второй (5) вспомогательные резисторы, причем коллектор входного транзистора (1) связан со входом (6) токового зеркала, а коллектор выходного транзистора (2) соединен с выходом (7) токового зеркала, отличающееся тем, что в схему введены первый (8) и второй (9) повторители тока, причем вход (10) первого повторителя тока (8) соединен с объединенными базами входного (1) и выходного (2) транзисторов, общий вход (11) первого повторителя тока (8) соединен со входом (6) токового зеркала, выход (12) первого повторителя тока (8) соединен со входом (13) второго повторителя тока (9), общий вход (14) которого соединен с эмиттером входного транзистора (1), а выход (15) связан с цепью смещения статического потенциала (16).