Токовое зеркало с цепью нагрузки в виде каскада на транзисторе с общим эмиттером

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). Технический результат - повышение выходного сопротивления. Токовое зеркало (ТЗ) содержит первый (1) входной и первый (2) выходной транзисторы (Т), объединенные базы которых подключены к выходу (3) вспомогательного повторителя напряжения (ПН) (4), эмиттеры соединены с шиной (5) источника питания и эмиттером второго выходного Т (6), причем коллектор первого Т (1) связан с первым выводом (7) ТЗ, а база второго Т (6) соединена с коллектором первого Т (2), а его коллектор подключен к выходу ТЗ. В схему введены первый (8) и второй (9) дополнительные Т и дополнительный р-n переход (10), причем база первого Т (8) соединена с коллектором первого Т (1) и через дополнительный р-n переход (10) связана с первым выводом (7) ТЗ, эмиттер соединен с шиной (5) источника питания, база второго Т (9) соединена с первым выводом (7) ТЗ, коллектор связан со вторым выводом (11) ТЗ и входом вспомогательного ПН (4), а эмиттер подключен к коллектору первого Т (2). 3 з.п. ф-лы, 9 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. В патентной литературе эти устройства с одним и тем же функциональным назначением присутствуют в классе H03F, а также классах G05F, H03K МПК. Качественные показатели многих аналоговых устройств определяются параметрами токовых зеркал [1, 6]. Именно этим объясняется большое число патентов, посвященных модернизации данного подкласса функциональных узлов.

Во многих практических случаях нагрузкой широко распространенных токовых зеркал с местной отрицательной обратной связью [1-12] является промежуточный усилительный каскад на транзисторе по схеме с общим эмиттером [1-12].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является токовое зеркало (ТЗ), описанное в составе усилителя по патенту фирмы Analog Devices США №6.483.382 fig.1, содержащее первый 1 входной и первый 2 выходной транзисторы, объединенные базы которых подключены к выходу 3 вспомогательного повторителя напряжения 4, эмиттеры соединены с шиной 5 источника питания и эмиттером второго 6 выходного транзистора, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан с первым выводом 7 токового зеркала, а база второго 6 выходного транзистора соединена с коллектором первого 2 выходного транзистора, а его коллектор подключен к выходу устройства.

Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно не обеспечивает высокое выходное сопротивление (r_вых), что не позволяет получить предельные значения коэффициента усиления по напряжению (K_y) транзисторных каскадов (например, дифференциальных усилителей) на его основе:

K_y≈S_ДУr_вых,

где S_ДУ - крутизна транзисторного каскада, нагрузкой которого является токовое зеркало с выходным сопротивлением r_вых.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении выходного сопротивления и, как следствие, в увеличении коэффициента усиления по напряжению в операционных усилителях, компенсационных стабилизаторах и других аналоговых устройств на его основе.

Поставленная цель достигается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем первый 1 входной и первый 2 выходной транзисторы, объединенные базы которых подключены к выходу 3 вспомогательного повторителя напряжения 4, эмиттеры соединены с шиной 5 источника питания и эмиттером второго 6 выходного транзистора, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан с первым выводом 7 токового зеркала, а база второго 6 выходного транзистора соединена с коллектором первого 2 выходного транзистора, а его коллектор подключен к выходу устройства, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 8 и второй 9 дополнительные транзисторы и дополнительный 10 p-n переход, причем база первого 8 дополнительного транзистора соединена с коллектором первого 1 входного транзистора и через дополнительный p-n переход 10 связана с первым выводом 7 токового зеркала, эмиттер соединен с шиной 5 источника питания, база второго 9 дополнительного транзистора соединена с первым выводом 7 токового зеркала, коллектор связан со вторым выводом 11 токового зеркала и входом вспомогательного повторителя напряжения 4, а эмиттер подключен к коллектору первого 2 выходного транзистора.

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

На фиг.3 представлена схема токового зеркала, соответствующая п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 и фиг.5 показана схема токового зеркала в соответствии с п.4 формулы изобретения

На фиг.6 приведена схема операционного усилителя (ОУ) на базе токового зеркала фиг.3.

На фиг.7 представлена схема ОУ на основе токового зеркала-прототипа (фиг.1) в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар».

На фиг.8 представлена схема ОУ на основе заявляемого токового зеркала (фиг.2) в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.9 представлена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем ОУ фиг.7 и фиг.8 от частоты.

Сравнительный анализ результатов моделирования (фиг.9) схемных решений, построенных на основе прототипа (фиг.7) и заявляемого устройства (фиг.8), показывает, что предлагаемое техническое решение обеспечивает более чем на 26 дБ больший коэффициент усиления в ОУ на его основе.

Токовое зеркало фиг.2 содержит первый 1 входной и первый 2 выходной транзисторы, объединенные базы которых подключены к выходу 3 вспомогательного повторителя напряжения 4, эмиттеры соединены с шиной 5 источника питания и эмиттером второго 6 выходного транзистора, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан с первым выводом 7 токового зеркала, а база второго 6 выходного транзистора соединена с коллектором первого 2 выходного транзистора, а его коллектор подключен к выходу устройства. В схему введены первый 8 и второй 9 дополнительные транзисторы и дополнительный 10 p-n переход, причем база первого 8 дополнительного транзистора соединена с коллектором первого 1 входного транзистора и через дополнительный p-n переход 10 связана с первым выводом 7 токового зеркала, эмиттер соединен с шиной 5 источника питания, база второго 9 дополнительного транзистора соединена с первым выводом 7 токового зеркала, коллектор связан со вторым выводом 11 токового зеркала и входом вспомогательного повторителя напряжения 4, а эмиттер подключен к коллектору первого 2 выходного транзистора.

В схеме фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый вывод 7 токового зеркала используется как его выход, а второй вывод 11 - как его вход. Кроме этого, в соответствии с п.3 формулы изобретения, вспомогательный повторитель напряжения 4 выполнен здесь в виде последовательно соединенных p-n переходов 14 и 15.

В схемах фиг.4 и фиг.5, в соответствии с п.4 формулы изобретения, вспомогательный повторитель напряжения 4 выполнен на базе транзисторных каскадов по схеме с общим коллектором на основе транзистора 16 и р-n перехода 17 (фиг.4), а также транзистора 16 и p-n переходов 17 и 18 (фиг.5).

В схеме операционного усилителя на основе «перегнутого» каскода фиг.6 используется заявляемое токовое зеркало. Входной каскад ОУ 19 выполнен на основе транзисторов 20, 21 и двухполюсника 22. «Перегнутый» каскод реализован на базе двухполюсников 23 и 24, а также выходных транзисторов 25, 26. Буферный усилитель 27 выполняет здесь функции цепи нагрузки транзисторного каскада 6 по схеме с общим эмиттером.

Рассмотрим работу схем фиг.1 и фиг.2 на переменном токе.

Эквивалентная выходная проводимость токового зеркала-прототипа (фиг.1) определяется двумя составляющими - выходным сопротивлением транзистора 2 (r₂) и входным сопротивлением (r_вх.6) цепи нагрузки ТЗ на базе транзисторного каскада 6 по схеме с общим эмиттером:

где ;

I_э2, I_э6 - статические эмиттерные токи транзисторов 2 и 6;

U_э2≈20÷50 B - напряжение Эрли интегрального транзистора 2;

φ_т≈26 мВ - температурный потенциал;

β₆=50÷100 - коэффициент усиления по току базы транзистора 6.

Таким образом, в схеме ТЗ-прототипа

где в частном случае I_э=I_э6=I_э2.

С учетом численных значений U_э2, β₆ и φ_т из (4) можно найти, что

В большинстве случаев этого недостаточно, что ограничивает K_y различных транзисторных каскадов на основе ТЗ-прототипа.

В заявляемом ТЗ выходная проводимость y_вых формируется двумя взаимно компенсирующими друг друга проводимостями - y₁₈ и y₂₆ (фиг.2). С учетом (2)-(5) можно найти, что

где U_э=U_э1=U_э2 - напряжение Эрли;

I_э1=I_э2=I_э8=I_э6.

Таким образом, в предлагаемой схеме за счет повторителя 4 обеспечивается i_э9≈0, i_э2≈i₂₆, i_э1≈i₂₆, i_к1≈i₂₆ и поэтому

y_вых≈y₁₈-y₂₆.

При идентичных режимах y₁₈=y₂₆, т.е. выходная проводимость ТЗ фиг.2 (в отличие от y_вых ТЗ фиг.1) близка к нулю, т.е. выходное сопротивление данной схемы возрастает.

Данные выводы подтверждаются результатами моделирования работы ТЗ фиг.2 в схемах операционных усилителей фиг.7, фиг.8 - предлагаемое устройство обеспечивает повышение коэффициента усиления операционного усилителя на его основе более чем на порядок (26 дБ, фиг.9).

Действительно коэффициент усиления промежуточного каскада ОУ фиг.7 и фиг.8 определяется по формуле

где - крутизна передачи входного каскада.

Таким образом, с учетом (5)-(7) схемы-прототипа фиг.7:

Аналогично для заявляемой схемы фиг.8:

где - коэффициент усиления 9.

Таким образом, заявляемое устройство более качественно выполняет функции токового зеркала и может применяться в аналоговых устройствах по данному функциональному назначению.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. М.: 1983. 216 с. - Рис.3.9.

2. Патент США №6.483.382 fig.2.

3. Патентная заявка США №2002/0196079.

4. Патент США №4.721.920.

5. Патент США №4.783.637.

6. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.5.13 (стр.86), рис.6.5 (стр.97), рис.5.8 (стр.82), рис.2.11 (стр.28).

7. А.с. СССР №678639.

8. Патентная заявка США №2006/0006910.

9. Патент США №5.401.995.

10. А.св. СССР №375754.

11. Патент США №3.668.538.

12. Патент США №4.429.284.

1. Токовое зеркало с цепью нагрузки в виде каскада на транзисторе с общим эмиттером, содержащее первый (1) входной и первый (2) выходной транзисторы, объединенные базы которых подключены к выходу (3) вспомогательного повторителя напряжения (4), эмиттеры соединены с шиной (5) источника питания и эмиттером второго (6) выходного транзистора, причем коллектор первого (1) входного транзистора связан с первым выводом (7) токового зеркала, а база второго (6) выходного транзистора соединена с коллектором первого (2) выходного транзистора, а его коллектор подключен к выходу устройства, отличающийся тем, что в схему введены первый (8) и второй (9) дополнительные транзисторы и дополнительный (10) р-n-переход, причем база первого (8) дополнительного транзистора соединена с коллектором первого (1) входного транзистора и через дополнительный р-n-переход (10) связана с первым выводом (7) токового зеркала, эмиттер соединен с шиной (5) источника питания, база второго (9) дополнительного транзистора соединена с первым выводом (7) токового зеркала, коллектор связан со вторым выводом (11) токового зеркала и входом вспомогательного повторителя напряжения (4), а эмиттер подключен к коллектору первого (2) выходного транзистора.

2. Токовое зеркало по п.1, отличающееся тем, что первый вывод (7) токового зеркала используется как его выход, а второй вывод (11) - как его вход.

3. Токовое зеркало по п.1, отличающееся тем, что вспомогательный повторитель напряжения (4) выполнен в виде последовательно соединенных р-n-переходов (14) и (15).

4. Токовое зеркало по п.1, отличающееся тем, что вспомогательный повторитель напряжения (4) выполнен на базе транзисторного каскада по схеме с общим коллектором на основе транзистора (16) и р-n-перехода (17), а также транзистора (16) и р-n-переходов (17) и (18).