Биполярное токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи
Изобретение относится к области электроизмерительной техники и автоматики. Технический результат: расширение полосы частот. Электронная регулировка коэффициентов передачи источников тока, управляемых током на базе токового зеркала, осуществляется использованием в базовых цепях транзисторов (2) токового зеркала регулирующих транзисторов (5), имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов (2) токового зеркала и выполняющих функцию регулируемых источников напряжения. Коэффициент передачи регулируется дифференциальным напряжением, подаваемым на базы регулирующих транзисторов (5). Подключение транзисторов, образующих токовые зеркала с входным и выходными транзисторами, позволяет расширить динамический диапазон регулирующего сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электрорадиотехнике и может найти применение в устройствах импульсной, измерительной, усилительной техники и автоматики.
Наиболее распространенный способ электронной регулировки коэффициента передачи источника тока, управляемого током (ИТУТ) на базе токового зеркала, заключается в применении в эмиттерной или базовой цепях входных или/и выходных транзисторов управляемых источников напряжения.
Известно токовое зеркало (ТЗ) с регулируемым коэффициентом передачи [1], в котором регулирующие транзисторы, имеющие структуру, противоположную структуре входного и выходных транзисторов, вводятся в эмиттерные цепи входного и выходных транзисторов и работают как эмиттерные повторители регулирующих напряжений. Сигналом управления коэффициентом передачи по заданному выходу является дифференциальное напряжение, равное разности напряжений, приложенных к базам регулирующих транзисторов входной и заданной выходной цепи токового зеркала. Токовое зеркало с эмиттерным регулированием коэффициента передачи обладает высоким быстродействием на изменение управляющего напряжения благодаря каскадному включению выходного и регулирующего транзисторов.
Наиболее близким к предложенному является биполярное токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи [2], в котором регулирующие транзисторы, имеющие структуру, противоположную структуре входного и выходных транзисторов, вводятся в базовые цепи входного и выходных транзисторов и работают как эмиттерные повторители регулирующих напряжений. Дифференциальное напряжение, равное разности напряжений, приложенных к базам регулирующих транзисторов входного и заданного выходного каналов ТЗ, управляет коэффициентом передачи по заданному выходу. Токовое зеркало с базовым регулированием коэффициента передачи имеет более высокую крутизну регулировочной характеристики в сравнении с эмиттерным регулированием коэффициента передачи. Недостатком устройства данного типа являются низкие динамические качества. Низкое быстродействие устройства со стороны входов управления вызвано высоким выходным сопротивлением источников сигналов для входного и выходных транзисторов ТЗ, которыми являются регулировочные транзисторы. Выходные сопротивления регулировочных транзисторов вместе с входными емкостями транзисторов ТЗ образуют фильтры нижних частот с высокой постоянной времени, приводящие к спаду усиления на высоких частотах. Кроме того, регулировочные транзисторы работают при малых токах коллектора, в области спада коэффициента усиления транзистора.
Целью изобретения является расширение полосы частот для регулирующего сигнала в биполярном токовом зеркале с базовым регулированием коэффициентов передачи.
Расширение полосы частот для регулирующего сигнала в биполярном токовом зеркале с регулируемым коэффициентом передачи, содержащим входной, усиливающий, один или несколько выходных транзисторов, имеющих одну структуру, при этом коллектор входного транзистора является входом, а коллекторы выходных транзисторов являются выходами токового зеркала, база усиливающего транзистора подключена к коллектору входного транзистора, к базам входного и выходных транзисторов подключены коллекторы регулирующих транзисторов, имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры регулирующих транзисторов соединены и подключены к эмиттеру усиливающего транзистора, на базы регулирующих транзисторов подаются регулирующие напряжения, цель достигается тем, что входной и каждый выходной транзистор образуется одним или несколькими параллельно включенными одинаковыми транзисторами, к базе входного и каждого выходного транзистора подключены база и коллектор токоприемного транзистора, имеющего структуру, одинаковую структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры входного, выходных и токоприемных транзисторов подключены к шине источника питания.
Расширение полосы частот для регулирующего сигнала в биполярном токовом зеркале с регулируемым коэффициентом передачи, содержащем входной, усиливающий, один или несколько выходных транзисторов, имеющих одну структуру, при этом коллектор входного транзистора является входом, а коллекторы выходных транзисторов являются выходами токового зеркала, база усиливающего транзистора подключена к коллектору входного транзистора, к базам входного и выходных транзисторов подключены коллекторы регулирующих транзисторов, имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры регулирующих транзисторов соединены и подключены к эмиттеру усиливающего транзистора, на базы регулирующих транзисторов подаются регулирующие напряжения, цель достигается тем, что к базе входного и каждого выходного транзистора подключены база и коллектор токоприемного транзистора, имеющего структуру, одинаковую структуре транзисторов токового зеркала, к эмиттерам входного, выходного и токоприемных транзисторов подключены резисторы, другие выводы которых подсоединяются к шине источника питания.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема токового зеркала (ТЗ) с регулируемым коэффициентом передачи на транзисторах n-p-n-структуры. Токовое зеркало содержит входную клемму 1, эмиттерный повторитель на усиливающем транзисторе 2, входной транзистор 3, клемму 4 регулирующего напряжения входной цепи, регулирующий транзистор 5 входной цепи, токоприемный транзистор 6 входного канала, выходные клеммы 7 и 12, выходные транзисторы 8, 13, клеммы 9 и 14 регулирующих напряжений выходных цепей, регулирующие транзисторы 10 и 15 выходных цепей, токоприемные транзисторы 11, 16 выходных каналов, шину 17 источника питания.
На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема токового зеркала с регулируемым коэффициентом передачи на транзисторах n-p-n-структуры. Токовое зеркало содержит входную клемму 1, эмиттерный повторитель на усиливающем транзисторе 2, входной транзистор 3, клемму 4 регулирующего напряжения входной цепи, регулирующий транзистор 5 входной цепи, токоприемный транзистор 6 входного транзистора, выходные клеммы 7 и 12, выходные транзисторы 8, 13, клеммы 9 и 14 регулирующих напряжений выходных цепей, регулирующие транзисторы 10 и 15 выходных цепей, токоприемные транзисторы 11, 16 выходных транзисторов, шину 17 источника питания, эмиттерные резисторы 18, 19, 20, 21, 22, 23.
Токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи представлено на чертежах транзисторами n-p-n-структуры. Оно содержит входной транзистор 3 и N выходных транзисторов 8,…,13. Входной ток I0 отражается на произвольный n-й выход с коэффициентом передачи: kn=In/I0, где In - ток n-го выхода. Регулирующие транзисторы 5, 10,..15,.. p-n-р-структуры включены в базовые цепи транзисторов токового зеркала. Они исполняют роль регулируемых источников напряжений, работающих в режиме эмиттерных повторителей регулирующих напряжений, соответственно, входной и выходных цепей. Величина регулирующего напряжения для n-го выхода равна разности напряжений на базах регулирующих транзисторов ΔUn=U0-Un. Токоприемные транзисторы в диодном включении 6, 11, 16 вместе с входным и выходными транзисторами образуют внутренние токовые зеркала. Подключение токоприемных транзисторов способствует рассасыванию неосновных носителей в базах входного и выходных транзисторов. Это способствует существенному уменьшению задержки реакции выходного тока In при импульсном изменении дифференциального напряжения ΔUn, т.е. расширяет полосу частот регулирующего сигнала. Другим следствием подключения токоприемных транзисторов является увеличение токов коллекторов регулирующих транзисторов. С одной стороны, это способствует увеличению коэффициентов усиления регулирующих транзисторов, с другой стороны, увеличивает ответвление входного тока в регулирующие цепи, понижает точность отражения тока. Усиливающий транзистор 2, являющийся эмиттерным повторителем напряжения на коллекторе входного транзистора, ограничивает ответвление входного тока в цепи регулирования, усиливая ответвляемый ток. Величина тока ответвления зависит от коэффициентов передачи внутренних ТЗ g0 - входного канала, gn - n-го выходного канала. Установка коэффициентов передачи g0,…,gn может осуществляться изменением количества параллельно включенных входных и выходных транзисторов ТЗ или масштабированием транзисторов при интегральном исполнении (см. фиг.1). Другим средством установки коэффициентов передачи внутренних ТЗ является подключение эмиттерных резисторов (см. фиг.2). В этом случае коэффициенты передачи g0,…,gn определяются отношением сопротивлений эмиттерных резисторов рассматриваемого канала.
Зависимость коэффициента передачи тока n-го выхода от регулирующих напряжений для обеих схем определяется неявным выражением относительно коэффициента передачи kn:
где φT - температурный потенциал; β - статический коэффициент передачи тока транзисторов токового зеркала; rE - объемное сопротивление эмиттера транзисторов; rB - объемное сопротивление базы транзисторов.
Приведенное уравнение позволяет провести анализ, построить семейства передаточных характеристик kn=f(I0) при ΔUn=const и регулировочных характеристик kn=f(ΔUn) при I0=const биполярного токового зеркала с базовым регулированием коэффициента передачи.
Источники информации
1. Toumazou С., Lidgey F. J., Haigh D.G. Analogue IC Design: The Current-mode Approach. Eds. London: Peregrinus, pp.291-295, 1990.
2. JP 7-106867 A (OLYMPUS OPTICAL CO et al.), 21.04.1995.
1. Токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи, содержащее входной, усиливающий, один или несколько выходных транзисторов, имеющих одну структуру, при этом коллектор входного транзистора является входом, а коллекторы выходных транзисторов являются выходами токового зеркала, база усиливающего транзистора подключена к коллектору входного транзистора, к базам входного и выходных транзисторов подключены коллекторы регулирующих транзисторов, имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры регулирующих транзисторов соединены и подключены к эмиттеру усиливающего транзистора, на базы регулирующих транзисторов подаются регулирующие напряжения, отличающееся тем, что входной и каждый выходной транзистор образуются одним или несколькими параллельно включенными одинаковыми транзисторами, к базе входного и каждого выходного транзистора подключены база и коллектор токоприемного транзистора, имеющие структуру, одинаковую структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры входного, выходных и токоприемных транзисторов подключены к шине источника питания.
2. Токовое зеркало по п.1, отличающееся тем, что во входной, выходные и токоприемные транзисторы включены эмиттерные резисторы.
