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.). Технический результат заключается в повышении точности передачи по току. Токовое зеркало (ТЗ) содержит входной транзистор (Т) (1), коллектор которого соединен со входом (2) ТЗ и токовым источником сигнала (3), а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник (ТД) (4) связан с первой шиной (5) источника питания (ИП), выходной Т (6), коллектор которого соединен с токовым выходом (7) ТЗ и через нагрузку (8) подключен ко второй шине (9) ИП, а эмиттер через второй ТД (10) связан с первой шиной (5) ИП, вспомогательный Т (11) цепи отрицательной обратной связи (ООС). В схему введены первый (12) и второй (13) дополнительные двухполюсники, имеющие общий узел (14), первый источник напряжения смещения (ИНС) (15), подключенный к объединенным базам входного Т (1) и выходного Т (6), второй ИНС (16), связанный с эмиттером Т (11) цепи ООС. Причем первый (12) и второй (13) последовательно соединенные двухполюсники включены между эмиттерами входного Т (1) и выходного Т (6). Общий узел (14) первого (12) и второго (13) двухполюсников соединен с коллектором Т (11) цепи ООС, база которого соединена с коллектором Т (1). 7 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 фирмы Analog Devices US №4560948, содержащее входной транзистор 1, коллектор которого соединен со входом 2 токового зеркала и токовым источником сигнала 3, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 4 связан с первой шиной 5 источника питания, выходной 6 транзистор, коллектор которого соединен с токовым выходом 7 токового зеркала и через нагрузку 8 подключен ко второй 9 шине источника питания, а эмиттер через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник 9 связан с первой 5 шиной источника питания, вспомогательный транзистор 11 цепи отрицательной обратной связи.

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 6 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, коллектор которого соединен со входом 2 токового зеркала и токовым источником сигнала 3, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 4 связан с первой шиной 5 источника питания, выходной 6 транзистор, коллектор которого соединен с токовым выходом 7 токового зеркала и через нагрузку 8 подключен ко второй 9 шине источника питания, а эмиттер через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник 9 связан с первой 5 шиной источника питания, вспомогательный транзистор 11 цепи отрицательной обратной связи, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 12 и второй 13 дополнительные двухполюсники, имеющие общий узел 14, первый источник напряжения смещения 15, подключенный к объединенным базам входного 1 и выходного 6 транзисторов, второй источник напряжения смещения 16, связанный с эмиттером вспомогательного транзистора 11 цепи отрицательной обратной связи, причем первый 12 и второй 13 последовательно соединенные дополнительные двухполюсники включены между эмиттерами входного 1 и выходного 6 транзисторов, общий узел 14 первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников соединен с коллектором вспомогательного транзистора 11 цепи отрицательной обратной связи, база которого соединена с коллектором водного транзистора 1.

Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.3 формулы изобретения показана на фиг.2.

На фиг.3 показана схема заявляемого токового зеркала в структуре операционного усилителя при частном варианте выполнения двухполюсников 12 и 13, соответствующем п.4 и п.7 формулы изобретения.

На фиг.4 изображен вариант построения токового зеркала в соответствии с п.3, п.7 и п.8 формулы изобретения.

На фиг.5 показана схема входного каскада операционного усилителя (ОУ), выходы 3 и 8 которого могут подключаться ко входам 2 и 7 заявляемого токового зеркала. Этот входной каскад выполнен на элементах 23-28.

На фиг.6 показана схема заявляемого (фиг.2) устройства в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.7 - график зависимости его выходного тока от входного тока.

На фиг.8 показана схема операционного усилителя с известным токовым зеркалом в среде PSpice, на базе которой выполнен компьютерный расчет напряжения смещения нуля (здесь U_см=14 мВ).

На фиг.9 показана схема операционного усилителя с заявляемым токовым зеркалом в среде PSpice, на базе которой выполнен компьютерный расчет напряжения смещения нуля (здесь U_cм=59 мкВ).

На фиг.10 представлена в среде PSpice другая схема ОУ с заявляемым токовым зеркалом, которая имеет U_см=250 мкВ.

Токовое зеркало фиг.2 содержит входной транзистор 1, коллектор которого соединен со входом 2 токового зеркала и источником сигнала 3, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 4 связан с первой шиной 5 источника питания, выходной 6 транзистор, коллектор которого соединен с токовым выходом 7 токового зеркала и через нагрузку 8 подключен ко второй 9 шине источника питания, а эмиттер через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник 9 связан с первой 5 шиной источника питания, вспомогательный транзистор 11 цепи отрицательной обратной связи. В схему введены первый 12 и второй 13 дополнительные двухполюсники, имеющие общий узел 14, первый источник напряжения смещения 15, подключенный к объединенным базам входного 1 и выходного 6 транзисторов, второй источник напряжения смещения 16, связанный с эмиттером вспомогательного транзистора 11 цепи отрицательной обратной связи, причем первый 12 и второй 13 последовательно соединенные дополнительные двухполюсники включены между эмиттерами входного (1) и выходного (6) транзисторов, общий узел 14 первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников соединен с коллектором вспомогательного транзистора 11 цепи отрицательной обратной связи, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1.

В соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения (фиг.2) эмиттеры входного 1 и выходного 6 транзисторов используются в качестве дополнительных токовых входов 17 и 18 токового зеркала.

В соответствии с п.3 формулы изобретения (фиг.2) в качестве первого 4 и второго 10 токостабилизирующих двухполюсников, а также первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников используются резисторы.

В соответствии с п.4 формулы изобретения (фиг.3) в качестве первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников используются прямосмещенные p-n переходы, а в качестве первого 4 и второго 10 токостабилизирующих двухполюсников - резисторы.

В соответствии с п.5 формулы изобретения в качестве первого 4 и второго 10 токостабилизирующих двухполюсников могут использоваться прямосмещенные p-n переходы, а в качестве первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников - резисторы.

В соответствии с п.6 формулы изобретения в качестве первого 14 и второго 10 токостабилизирующих двухполюсников, а также первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников могут использоваться прямосмещенные p-n переходы.

В токовом зеркале, соответствующем п.7 формулы изобретения (фиг.3), в качестве второго источника напряжения смещения (16) используется дополнительный повторитель напряжения (19), вход которого соединен с выходом (7) токового зеркала, а выход (20) соединен с эмиттером вспомогательного транзистора (11) цепи отрицательной обратной связи.

В частном случае (п.8) дополнительный повторитель напряжения 19 реализован в виде эмиттерного повторителя на транзисторе 21 и двухполюснике 22.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.

В статическом режиме в схеме фиг.2 при R₄=R₁₀, R₁₂=R₁₃ справедливы следующие токовые уравнения

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

.

Таким образом, в заявляемом токовом зеркале существует прямо пропорциональная зависимость выходного тока от входного тока. Однако это справедливо, если

Особенность предлагаемого токового зеркала - высокая симметрия статического режима транзисторов 1 и 2 по напряжению коллектор-база, что не реализуется в известном токовом зеркале. Данный режим обеспечивается выбором напряжения источника смещения 16 так, что U₁₆≈U₇≈U₂ или подключением эмиттера транзистора 11 к выходу 20 буферного усилителя 19 (фиг.3, фиг.4).

Рассмотренный комплекс мер создает условия для уменьшения систематической погрешности передачи тока токового зеркала и, как следствие, уменьшению U_см ОУ на основе заявляемого токового зеркала.

Данные выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.8 - фиг.10. Напряжение смещения нуля ОУ на базе заявляемого токового зеркала уменьшается без каких-либо регулировок и подстроек резисторов более чем в 10 раз.

Кроме этого в операционных усилителях с предлагаемым токовым зеркалом (фиг.3) более чем на порядок повышается коэффициент усиления по напряжению, существенно улучшается ослабление входных синфазных сигналов.

Таким образом, заявляемое токовое зеркало характеризуется более высокими точностными параметрами, что положительно сказывается на величине напряжения смещения нуля операционных усилителей на его основе.

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 НО3К 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), коллектор которого соединен со входом (2) токового зеркала и токовым источником сигнала (3), а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник (4) связан с первой шиной (5) источника питания, выходной (6) транзистор, коллектор которого соединен с токовым выходом (7) токового зеркала и через нагрузку (8) подключен ко второй (9) шине источника питания, а эмиттер через второй (10) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (5) шиной источника питания, вспомогательный транзистор (11) цепи отрицательной обратной связи, отличающееся тем, что в схему введены первый (12) и второй (13) дополнительные двухполюсники, имеющие общий узел (14), первый источник напряжения смещения (15), подключенный к объединенным базам входного (1) и выходного (6) транзисторов, второй источник напряжения смещения (16), связанный с эмиттером вспомогательного транзистора (11) цепи отрицательной обратной связи, причем первый (12) и второй (13) последовательно соединенные дополнительные двухполюсники включены между эмиттерами входного (1) и выходного (6) транзисторов, общий узел (14) первого (12) и второго (13) дополнительных двухполюсников соединен с коллектором вспомогательного транзистора (11) цепи отрицательной обратной связи, база которого соединена с коллектором водного транзистора (1).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эмиттеры входного (1) и выходного (6) транзисторов используются в качестве дополнительных токовых входов (17) и (18) токового зеркала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве первого (4) и второго (10) токостабилизирующих двухполюсников, а также первого (12) и второго (13) дополнительных двухполюсников используются резисторы.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве первого (12) и второго (13) дополнительных двухполюсников используются прямосмещенные p-n переходы, а в качестве первого (4) и второго (10) токостабилизирующих двухполюсников - резисторы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве первого (4) и второго (10) токостабилизирующих двухполюсников используются прямосмещенные p-n переходы, а в качестве первого (12) и второго (13) дополнительных двухполюсников - резисторы.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве первого (14) и второго (10) токостабилизирующих двухполюсников, а также первого (12) и второго (13) дополнительных двухполюсников используются прямосмещенные p-n переходы.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве второго источника напряжения смещения (16) используется дополнительный повторитель напряжения (19), вход которого соединен с выходом (7) токового зеркала, а выход (20) соединен с эмиттером вспомогательного транзистора (11) цепи отрицательной обратной связи.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что дополнительный повторитель напряжения (19) реализован в виде эмиттерного повторителя на транзисторе (21) и двухполюснике (22).