Преобразователь напряжение - ток

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться при проектировании различных усилителей, аналоговых перемножителей напряжения и других элементов автоматики и вычислительной техники. Техническим результатом изобретения является повышение линейности преобразования входного напряжения в выходной ток. Устройство содержит транзисторы (Т) (1, 2), первый резистор (Р) (3), включенный между эмиттерами Т (1, 2), токостабилизирующие двухполюсники (4, 5), включенные соответственно между эмиттерами Т (1, 2) и шиной отрицательного источника питания, первый делитель тока (ДТ) (6), вход которого подключен к коллектору Т (1), второй ДТ (7), вход которого подключен к коллектору Т (2), первый выход ДТ (6) соединен с коллектором четвертого Т (9) и является первым токовым выходом устройства, первый выход второго ДТ (7) соединен с коллектором третьего Т (8) и является вторым токовым выходом устройства, второй Р (10) включен между эмиттерами Т (8, 9), базы Т (8, 9) соединены и подключены к источнику смещения, второй выход первого ДТ (6) подключен к эмиттеру третьего Т (8), а второй выход второго ДТ (7) подключен к эмиттеру четвертого Т (9). 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании различных усилителей, аналоговых перемножителей и других элементов автоматики и вычислительной техники.

Известны преобразователи напряжение - ток (ПНТ), имеющие высокую линейность преобразования, но обладающие большим токопотреблением [Schlotzhauer K.G., Metz A.J. Cascode feed-forward amplifier// US Patent №4322688. - 20.06.1982].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ПНТ, приведенный в [Херпи М. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1983. (стр.366, рис.8.12)]. На фиг.1 показана упрощенная схема прототипа, содержащая первый транзистор, база которого является первым входом устройства, второй транзистор, база которого является вторым входом устройства, резистор, включенный между эмиттерами первого и второго транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого транзистора и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго транзистора и шиной отрицательного источника питания, выходами устройства являются соответственно коллекторы первого и второго транзисторов.

Недостатком прототипа является его низкая линейность преобразования входного напряжения в выходной ток.

Целью предлагаемого изобретения является повышение линейности преобразования напряжение - ток.

Для достижения поставленной цели в схеме прототипа, содержащей первый транзистор, база которого является первым входом устройства, второй транзистор, база которого является вторым входом устройства, резистор, включенный между эмиттерами первого и второго транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого транзистора и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго транзистора и шиной отрицательного источника питания, введены первый и второй делители тока, третий и четвертый транзисторы, второй резистор, причем вход первого делителя тока подключен к коллектору первого транзистора, вход второго делителя тока подключен к коллектору второго транзистора, первый выход первого делителя тока соединен с коллектором четвертого транзистора и является первым токовым выходом устройства, первый выход второго делителя тока соединен с коллектором третьего транзистора и является вторым токовым выходом устройства, второй резистор включен между эмиттерами третьего и четвертого транзисторов, база третьего и четвертого транзисторов соединены и подключены к источнику смещения, второй выход первого делителя тока подключен к эмиттеру третьего транзистора, а второй выход второго делителя тока подключен к эмиттеру четвертого транзистора.

Заявляемый ПНТ (фиг.2) содержит первый транзистор 1, база которого является первым входом устройства, второй транзистор 2, база которого является вторым входом устройства, первый резистор 3, включенный между эмиттерами первого транзистора 1 и второго транзистора 2, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером первого транзистора 1 и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник 5, включенный между эмиттером второго транзистора 2 и шиной отрицательного источника питания, первый делитель тока 6, вход которого подключен к коллектору первого транзистора 1, второй делитель тока 7, вход которого подключен к коллектору второго транзистора 2, а первый выход к коллектору третьего транзистора 8 и является вторым токовым выходом устройства, коллектор четвертого транзистора 9 подключен к первому выходу первого делителя тока 6 и является первым токовым выходом устройства, базы третьего транзистора 8 и четвертого транзистора 9 соединены и подключены к источнику смещения, второй выход первого делителя тока 6 подключен к эмиттеру третьего транзистора 8, а второй выход второго делителя тока 7 к эмиттеру четвертого транзистора 9, второй резистор 10 включен между эмиттерами третьего транзистора 8 и четвертого транзистора 9.

Работу заявляемого ПНТ можно пояснить следующим образом. Первичное преобразование входного напряжения в выходной ток осуществляется с помощью первого транзистора 1, второго транзистора 2 и первого резистора 3. Ток на первом токовом выходе I_ВЫХ.1 будет слагаться из составляющих I₀ тока токостабилизирующего двухполюсника, приращения тока I_X, обусловленного наличием входного напряжения на базах транзисторов 1 и 2, тока I₂=(I₀-I_X)·K+I_K, причем можно показать, что , где ΔU_БЭ - разность напряжений база-эмиттер третьего транзистора 8 и четвертого транзистора 9, a R_K - сопротивление второго резистора 10, результирующее выражение можно представить в виде:

где К - коэффициент деления в делителе тока ДТ.

Очевидно, что ток коллектора первого транзистора 1 будет описываться таким же выражением, что и ток на первом токовом выходе прототипа. Данное выражение можно представить в виде:

где U_X - напряжение на входе устройства;

R₀ - сопротивление первого резистора 3;

α≈1 - коэффициент передачи тока эмиттера используемых транзисторов;

r_E=ϕ_Т/I₀ - дифференциальное сопротивление эмиттера первого транзистора 1; ϕ_Т - температурный потенциал.

Так как плечи устройства симметричны, то ток на втором токовом выходе устройства имеет те же составляющие, что и ток на первом токовом выходе, но с другими знаками:

Приращение тока I_x можно представить следующим образом:

где ϕ_Т - температурный потенциал.

Компенсирующий ток I_K можно описать следующим выражением:

где R_K - сопротивление второго резистора 10.

Можно показать, что I₀-I_K≫I_K, тогда (5) приобретает вид:

Результирующий выходной ток ПНТ, равный разности токов первого и второго выходов можно представить в виде:

Подставив выражения (4) и (6) в (7), получим:

Из выражения (8) видно, что для получения минимального отклонения от линейности необходимо выполнение условия:

следовательно, значение второго резистора 10 зависит от сопротивления первого резистора 3:

Реально, с учетом объемных сопротивлений баз транзисторов и влияния зависимости коэффициента передачи тока эмиттера от тока эмиттера, выражение более сложное, но в первом приближении выражение (9) показывает, что эффект компенсации нелинейности преобразования напряжение - ток присутствует.

Для подтверждения проведенного анализа приводятся результаты моделирования в среде Pspice. Вариант схемотехнической реализации заявляемого ПНТ приведен на фиг.3.

Участки принципиальной схемы, заключенные в пунктирные прямоугольники, являются частным случаем реализации делителей тока ДТ.

На фиг.4 приведены принципиальные схемы реализации заявляемого ПНТ и прототипа, для удобства сравнения результатов моделирования сведенные в один файл с общими источниками питания и стимулирующего входного сигнала.

В левой части принципиальной схемы на фиг.4 изображен заявляемый преобразователь напряжение - ток, в правой части - прототип предлагаемого изобретения. Резисторы R3, R4, R22 и R23 используются в качестве датчиков тока на токовых выходах заявляемого ПНТ и прототипа. Глобальные узлы X1 и Х2 представляют входы заявляемого ПНТ, а X11 и Х12 - входы прототипа. В качестве транзисторов были использованы модели активных компонентов GC_05_NPN, входящие в состав АБМК 1.2 [Дворников О.В., Чеховской В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями// Chip News, №2, 1999. - с.21-23], выпускаемого НПО "Интеграл" (Минск).

Работа делителей тока основана на неравенстве площадей входящих в них транзисторов: пусть s_i - площадь эмиттера соответствующего транзистора, тогда

где К - коэффициент деления тока в делителе, входящий в вышеприведенные соотношения.

Токи I₀ в схемах прототипа и заявляемого ПНТ одинаковы.

На фиг.5 приведены графики относительного отклонения от линейного преобразования напряжение - ток нормированной крутизны ΔI_∑/ΔU_ВХ для схемы прототипа и заявляемого ПНТ, что сделано для наглядности полученных результатов. Выражение, описывающее графики, приведенные на фиг.5, можно представить в виде:

Выражение в скобках умножено на 100% для более наглядного отображения результатов моделирования, так как отклонение от линейного преобразования напряжение - ток для схемы прототипа не превышает 1%.

Кривая, отмеченная знаком (⋄) (фиг.5), - нормированная крутизна преобразования напряжение - ток для схемы прототипа, кривая, отмеченная знаком (), - нормированная крутизна преобразования напряжение - ток для схемы заявляемого ПНТ. В диапазоне изменения входного напряжения от -1В до 1В выигрыш в отклонении от линейного преобразования составляет более 30 раз: 0,023% у заявляемого ПНТ против 0,753% у схемы прототипа. Следует отметить, что в процессе проведения параметрической оптимизации необходимо добиваться одинаковых значений отклонения на краях диапазона входного напряжения и в точке, соответствующей значению входного напряжения, равного 0 В. В этом случае отклонение от линейного преобразования будет минимальным. Получение минимального отклонения от линейного преобразования заявляемого ПНТ достигается изменением значения компенсирующего резистора R_K.

Таким образом, проведенный анализ и результаты схемотехнического моделирования показывают, что достигается заявляемый технический результат - повышение линейности преобразователя ток - напряжение.

Преобразователь напряжение - ток, содержащий первый транзистор, база которого является первым входом устройства, второй транзистор, база которого является вторым входом устройства, первый резистор, включенный между эмиттерами первого и второго транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого транзистора и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго транзистора и шиной отрицательного источника питания, отличающийся тем, что в устройство введены первый и второй делители тока, третий и четвертый транзисторы, второй резистор, причем вход первого делителя тока подключен к коллектору первого транзистора, вход второго делителя тока подключен к коллектору второго транзистора, первый выход первого делителя тока соединен с коллектором четвертого транзистора и является первым токовым выходом устройства, первый выход второго делителя тока соединен с коллектором третьего транзистора и является вторым токовым выходом устройства, второй резистор включен между эмиттерами третьего и четвертого транзисторов, база третьего и четвертого транзисторов соединены и подключены к источнику смещения, второй выход первого делителя тока подключен к эмиттеру третьего транзистора, а второй выход второго делителя тока подключен к эмиттеру четвертого транзистора.