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). Технический результат заключается в повышении точности передачи по току. Токовое зеркало содержит входной (1) и выходной (2) транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной первого источника питания (3), первый вспомогательный транзистор (4), база которого соединена с коллектором входного транзистора (1) и входом (5) токового зеркала, первый вспомогательный двухполюсник (6), первый вывод которого связан с шиной второго источника питания (7), причем коллектор выходного транзистора (2) соединен с выходом (8) токового зеркала. В схему введен инвертирующий усилитель тока (9), вход которого (10) соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора (4), а выход (11) подключен к объединенным базам входного (1) и выходного (2) транзисторов и второму выводу первого вспомогательного двухполюсника (6), причем эмиттер первого вспомогательного транзистора (4) связан с шиной второго источника питания (7) через дополнительный источник напряжения смещения (12). 2 з.п. ф-лы, 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 6.300.803, фиг.5, содержащее входной 1 и выходной 2 транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной первого источника питания 3, первый вспомогательный транзистор 4, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 5 токового зеркала, первый вспомогательный двухполюсник 6, первый вывод которого связан с шиной второго источника питания 7, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 8 токового зеркала.

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 U_см, повышении на 1-3 порядка коэффициента усиления по напряжению (К_у) и коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (К_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 с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной первого источника питания 3, первый вспомогательный транзистор 4, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 5 токового зеркала, первый вспомогательный двухполюсник 6, первый вывод которого связан с шиной второго источника питания 7, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 8 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен инвертирующий усилитель тока 9, вход которого 10 соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 4, а выход 11 подключен к объединенным базам входного 1 и выходного 2 транзисторов и ко второму выводу первого вспомогательного двухполюсника 6, причем эмиттер первого вспомогательного транзистора 4 связан с шиной второго источника питания 7 через дополнительный источник напряжения смещения 12.

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

На фиг.3 показана схема токового зеркала фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения для случая, когда в качестве дополнительного источника напряжения смещения 12 используется общая шина первого 3 и второго 7 источников питания. При этом входной токовый сигнал моделируется источником 13, а свойства нагрузки - двухполюсником 14. К выходу 5 токового зеркала подключен дополнительный буферный усилитель 15 на основе транзистора 16 и двухполюсника 17. Выходом буферного усилителя 18 является эмиттер транзистора 16.

На фиг.4 изображен другой вариант построения токового зеркала (п.2 формулы изобретения) для случая, когда в качестве дополнительного источника напряжения смещения 12 используется дополнительный буферный усилитель на вспомогательном транзисторе 16 и двухполюснике 17.

Схема фиг.5 соответствует п.3 формулы изобретения.

На фиг.6 в качестве примера представлена схема повторителя напряжения на базе заявляемого токового зеркала.

На фиг.7 показана схема операционного усилителя на базе токового зеркала-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь напряжение смещения нуля U_см=5,01 мВ.

На фиг.8 в среде PSpice представлена другая схема операционного усилителя на основе заявляемого токового зеркала фиг.5, на базе которой производилось измерение величины напряжения смещения нуля. Здесь U_cм=10,7 мкВ.

На фиг.9, фиг.10 в среде PSpice представлены другие схемы операционных усилителей на базе известного (фиг.9) и заявляемого (фиг.10) токового зеркала, в которых производилось измерение величины напряжения смещения нуля. Для схемы фиг.9 - U_см=27 мкВ. В схеме фиг.10 - U_см=20 мкВ.

На фиг.11 показаны графики частотной зависимости коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг.9 и фиг.10. Они показывают, что предлагаемое токовое зеркало увеличивает К_у на 65 дБ, т.е. более чем в 1000 раз.

Токовое зеркало фиг.2 содержит входной 1 и выходной 2 транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной первого источника питания 3, первый вспомогательный транзистор 4, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 5 токового зеркала, первый вспомогательный двухполюсник 6, первый вывод которого связан с шиной второго источника питания 7, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 8 токового зеркала. В схему введен инвертирующий усилитель тока 9, вход которого 10 соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 4, а выход 11 подключен к объединенным базам входного 1 и выходного 2 транзисторов и ко второму выводу первого вспомогательного двухполюсника 6, причем эмиттер первого вспомогательного транзистора 4 связан со шиной второго источника питания 7 через дополнительный источник напряжения смещения 12.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения потенциал дополнительного источника напряжения смещения 12 приблизительно равен потенциалу общей шины первого 3 и второго 7 источников питания. Свойства источника входного сигнала моделируются двухполюсником 13, а свойства нагрузки - двухполюсником 14. Буферный усилитель 15 реализован на транзисторе 16 и двухполюснике 17. Выходом буферного усилителя 18 является эмиттер транзистора 16.

На фиг.4 показана схема операционного усилителя с заявляемым токовым зеркалом. Здесь входной источник токового сигнала моделируется дифференциальным каскадом 19 с токостабилизирующим двухполюсником 20 общей эмиттерной цепи, двухполюсниками 21 и 22, а также транзисторами 24, 25, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 23. Буферный усилитель выполнен здесь на транзисторе 16 и двухполюснике 17.

На фиг.5 в соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве дополнительного источника напряжения смещения 12 используется дополнительный буферный усилитель 15, выход которого 18 соединен с эмиттером вспомогательного транзистора 4, а вход связан с выходом токового зеркала 8. Элементы схемы фиг.5 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 16, 17, 15 и 18 имеют такое же назначение, как и на фиг.4.

Прецизионный повторитель напряжения фиг.6 содержит заявляемое токовое зеркало фиг.2 (в соответствии с п.3 формулы изобретения), буферный усилитель 15. В качестве источника входного сигнала 13 и нагрузки 14 здесь используется типовой параллельно-балансный каскад 26 на транзисторах 27, 28 и двухполюснике 29 в общей эмиттерной цепи.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.3.

В статическом режиме при U₅≈U₈ токи в схеме фиг.3 устанавливаются следующие токи:

I_к1=I₁₃+I_б4≈I₁₃=I_вх=I_э1=I_э2,

I₁₁=I_к4К_i12.9≈I₆,

I_вых=I₁₄=I_вых=I_к2- I_б16≈I_к2

где К_i12.9 - коэффициент усиления по току инвертирующего усилителя тока 9;

I_б - ток базы; I_к - ток коллектора; I_э - ток эмиттера транзисторов;

I₆ - ток двухполюсника 6.

Таким образом, при U₅≈U₈ коэффициент передачи по току предлагаемого устройства близок к единице:

I_вых=I_вх.

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).

Особенность предлагаемого токового зеркала состоит в том, что в нем обеспечивается «выравнивание» статических напряжений на входе 5 и выходе 8 за счет соответствующего выбора напряжения на первом источнике смещения 12. Это также обеспечивает существенное уменьшение U_см. Кроме этого, подключение эмиттера транзистора 4 к выходу 18 буферного усилителя 15 (элементы 16, 17, фиг.5) создает условия для уменьшения погрешности токового зеркала за счет взаимной компенсации влияния токов базы транзисторов 4 и 16 на U_см:

I_б4≈I_б16.

Последнее равенство обеспечивается соответствующим выбором токов двухполюсников 17 и 6 (фиг.5).

Замечательная особенность токового зеркала фиг.5 состоит также в том, что при его использовании в операционных усилителях коэффициент усиления по напряжению К_у повышается более чем на три порядка (фиг.11). Это связано с эффектом взаимной компенсации влияния паразитных выходных проводимостей в выходном узле токового зеркала схемы фиг.10 на коэффициент усиления.

За счет предлагаемого токового зеркала в ОУ на его основе также существенно повышается коэффициент ослабления синфазных сигналов (К_ос.сф) и коэффициент подавления помехи по питанию (К_пп). Этот эффект объясняется тем, что коэффициент передачи по току предлагаемых токовых зеркал более близок к единице, чем в известном устройстве. В целом это повышает К_ос.сф и К_пп, уменьшает U_см.

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

1. Токовое зеркало, содержащее входной (1) и выходной (2) транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной первого источника питания (3), первый вспомогательный транзистор (4), база которого соединена с коллектором входного транзистора (1) и входом (5) токового зеркала, первый вспомогательный двухполюсник (6), первый вывод которого связан с шиной второго источника питания (7), причем коллектор выходного транзистора (2) соединен с выходом (8) токового зеркала, отличающееся тем, что в схему введен инвертирующий усилитель тока (9), вход которого (10) соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора (4), а выход (11) подключен к объединенным базам входного (1) и выходного (2) транзисторов и второму выводу первого вспомогательного двухполюсника (6), причем эмиттер первого вспомогательного транзистора (4) связан с шиной второго источника питания (7) через дополнительный источник напряжения смещения (12).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что потенциал дополнительного источника напряжения смещения (12) приблизительно равен потенциалу общей шины первого (3) и второго (7) источников питания.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника напряжения смещения (12) используется дополнительный буферный усилитель (15), выход которого (18) соединен с эмиттером вспомогательного транзистора (4), а вход связан с выходом токового зеркала (8).