ФОРМИРОВАТЕЛЬ БИПОЛЯРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ЭТАЛОННОГО ТОКА Российский патент 1996 года по МПК H03K3/00 

Предлагаемое изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в качестве управляемого источника импульсов эталонного тока в составе аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей.

Известны формирователи биполярных импульсов тока, содержащие первый и второй источники тока, которые соответственно через первый и второй переключатели подключены к общей нагрузке /1/. Вариантом является устройство, содержащее первый источник тока, подключенный к нагрузке, второй источник тока с удвоенной величиной выходного тока, подключенный к нагрузке через переключатель /2/. В известных устройствах амплитуды импульсов положительной и отрицательной полярности отличаются друг от друга.

Известны формирователи биполярных импульсов тока, содержащие диодный мост, одна диагональ которого подключена к источнику эталонного тока, а другая через нагрузку подключена к источнику биполярных импульсов напряжения /3/. Известное устройство является сложным в реализации, а также в нем амплитуды импульсов положительной и отрицательной полярности отличаются с точностью до обратных токов диодов диодного места.

Наиболее близок к предложенному техническому решению известный формирователь биполярных импульсов тока, содержащий мостовой коммутатор из четырех управляемых ключевых элементов, одна диагональ которого заземлена и подключена к нагрузке, а другая диагональ подключена к источнику эталонного тока /4/. Известное устройство является сложным в практической реализации, т. к. кроме биполярного источника напряжения питания управляемых ключевых элементов, средний вывод которого подключен к заземленному выводу нагрузки, содержит дополнительный источник напряжения питания источника эталонного тока, выводы которого гальванически развязаны по отношению к основному источнику питания устройства.

Целью предполагаемого изобретения является упрощение устройства за счет сокращения числа источников напряжения питания.

Указанная цель достигается тем, что, в известном формирователе биполярных импульсов эталонного тока, содержащем мостовой коммутатор из четырех ключевых элементов, токовый двухполюсник и заземленную нагрузку, при этом первая выходная шина токового двухполюсника подключена к объединенным первым выводам первого и второго ключевых элементов, вторая выходная шина токового двухполюсника к объединенным первым выводам третьего и четвертого ключевых элементов, причем вторые выводы второго и четвертого ключевых элементов через нагрузку подключены к общей шине устройства, вторые выводы первого и третьего ключевых элементов подключены соответственно к первому и второму выводам биполярного источника напряжения питания, средний вывод которого подключен к общей шине устройства, при этом токовый двухполюсник содержит первый и второй биполярные транзисторы одного типа проводимости, третий биполярный транзистор другого типа проводимости, первый, второй и третий резисторы и опорный стабилитрон, причем первая выходная шина токового двухполюсника через первый и второй резисторы подключена соответственно к эмиттерам первого и второго транзисторов, базы которых объединены и подключены к коллектору третьего транзистора, а вторая выходная шина токового двухполюсника через третий резистор подключена к коллектору первого и эмиттеру третьего транзисторов и через опорный стабилитрон коллектору второго и базе третьего транзисторов.

Таким образом, критерий изобретения "новизна" выполняется новым подключением вторых выводов первого и третьего ключевых элементов мостового коммутатора и конкретным выполнением токового двухполюсника.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них набор новых признаков, отличающих заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения критерию изобретения "существенные отличия". Отдельно известно выполнение токовых двухполюсников на биполярных транзисторах разного типа проводимости, резисторах и стабилитронах (5, 6), однако, предложенный формирователь импульсов с раскрытым выполнением токового двухполюсника обладает большей устойчивостью начального запуска.

На фиг. 1 представлена электрическая схема предложенного формирователя биполярных импульсов тока.

Устройство содержит мостовой коммутатор из четырех ключевых элементов 1, 2, 3 и 4 соответственно, биполярный источник напряжения питания 5, 6 со средним выводом, заземленную нагрузку 7 и токовый двухполюсник, включающий первый 8 и второй 9 биполярные транзисторы одного типа проводимости, например, p-n-p типа, третий 10 биполярный транзистор другого типа проводимости, например, n-p-n типа, первый 11, второй 12 и третий 13 резисторы и опорный стабилитрон 14.

На фиг. 1а показано, что первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 ключевые элементы могут быть заполнены на управляемых ключах, например, К - МОП микросхемах серии 590.

На фиг. 1б представлен вариант выполнения устройства, в котором первый 1 и третий 3 ключевые элементы выполнены на управляемых ключах, а второй 2 и четвертый 4 ключевые элементы выполнены на диодах.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы работы устройства,
где:
а эпюры прямых состояний первого 1 ключевого элемента и инверсных состояний второго 2 ключевого элемента (в положении лог. "1" ключ 1 включен и ключ 2 выключен);
б эпюры прямых состояний третьего 3 ключевого элемента и инверсных состояний четвертого 4 ключевого элемента;
в выходные импульсы тока в нагрузке 7.

Управление работой устройства может производиться, например, с выходов двух синхронных триггеров, когда первый 1 ключевой элемент управляется с прямого выхода первого триггера, второй 2 ключевой элемент с инверсного выхода первого триггера, третий 3 ключевой элемент с прямого выхода второго триггера и четвертый 4 ключевой элемент с инверсного выхода второго триггера.

Предложенный формирователь биполярных импульсов тока работает следующим образом.

При подаче сигнала управления, включающего ключи 1 и 4 и выключающего ключи 2 и 3 (в устройстве по фиг. 1а) нагрузка 7 через ключи 1 и 4 и токовый двухполюсник на элементах 8^oC14 оказывается подключенной к положительному источнику напряжения питания 5 и через нагрузку 7 протекает стабилизированный ток положительного напряжения.

При подаче сигнала управления, включающего ключи 2 и 3 и выключающего ключи 1 и 4, нагрузка 7 оказывается подключенной к отрицательному источнику напряжения питания 6 и через нагрузку 7 будет протекать ток отрицательного направления, величина которого будет стабилизирована также параметрами токового двухполюсника на элементах 8^oC14. Длительность биполярных импульсов в нагрузке 7 определяется длительностью соответствующих сигналов управления на ключи 1^oC4.

При подаче сигнала управления, включающего ключи 1 и 3 и выключающего ключи 2 и 4, ток в нагрузке 7 равен нулю, а токовый двухполюсник оказывается подключенным к биполярному источнику напряжения питания 5, 6.

При подаче сигнала управления, включающего ключи 2 и 4 и выключающего ключи 1 и 3, ток в нагрузке 7 также равен нулю и токовый двухполюсник оказывается отключенным от биполярного источника напряжения 5, 6.

Устройство по фиг. 1б работает аналогично, в нем сигналы управления подаются только на ключи 1 и 3.

Таким образом, предлагаемый формирователь биполярных импульсов тока может эксплуатироваться в нескольких режимах, при которых в нагрузке формируются импульсы токов разной полярности.

Токовый двухполюсник на элементах 8^oC14 позволяет стабилизировать ток нагрузки на уровне, определяемой величиной:
I_н (U_o U_бэ)(R₁ + R₂)/R₂R₃,
где: U_o напряжение стабилизации опорного стабилитрона 14,
U_бэ напряжение стабилизации перехода база-эмиттер третьего транзистора 10,
R₁, R₂, R₃ номиналы резисторов 11, 12, 13 соответственно.

По своей структуре построен на базе отражателя токов на первом 8 и втором 9 транзисторах и первом 11 и втором 12 резисторах. Выходная шина отражателя токов, представленная коллектором второго 9 транзистора, запитывает опорный стабилитрон 14. Входная шина отражателя токов образована коллектором первого 9 транзистора. Входной ток отражателя токов I_к1 стабилизирован цепью обратной связи с эмиттером третьего 10 транзистора на базу первого 8 транзистора на уровне, определяемой величиной:
I_к1 (U_o U_бэ)/R₃.

База третьего 10 транзистора подключена и к выходной шине отражателя токов и к выводу опорного стабилитрона 14, поэтому, в токовом двухполюснике производится автостабилизация тока через опорный стабилитрон 14 на уровне величины:
I_к2 I_к1>R₁/R₂.

Надежность начального запуска токового двухполюсника обеспечена включением первого 8 и третьего 10 транзисторов по структуре составного транзистора по схеме общий эмиттер общий эмиттер, коэффициент усиления которого очень высок.

Технико-экономическое преимущество предложенного устройства состоит в упрощении организации питания устройства. Ключевые элементы, например, при их реализации на микросхемах 590 КН5 могут быть запитаны также от биполярного источника питания 5, 6.

В опытном образце устройства, реализованном на биполярных транзисторах 125 НТ1 и 2ТО622, опорном стабилитроне КС 108 и ключах 590 КН5, фронты переключения тока в нагрузке составляли 0,15-0,25 мксек при токе нагрузке 15 мА.

Использование: импульсная техника и в составе аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. Решается задача упрощения устройства за счет сокращения числа использованных источников напряжения питания. Сущность: устройство содержит мостовой коммутатор из четырех ключевых элементов, биполярный источник напряжения питания со средним выводом, заземленную нагрузку и токовый двухполюсник, включающий первый и второй транзисторы одного типа проводимости, третий транзистор другого типа проводимости, три резистора и опорный стабилитрон. Устройство может быть использовано для формирования импульсов тока как положительной, так и отрицательной полярности, амплитуды которых равны и определяются параметрами токового двухполюсника. 1 п. ф-лы, 2 ил.

Формирователь биполярных импульсов эталонного тока, содержащий мостовой коммутатор из четырех ключевых элементов, токовый двухполюсник и заземленную нагрузку, при этом первая выходная шина токового двухполюсника подключена к объединенным первым выводам первого и второго ключевых элементов, вторая выходная шина к объединенным первым выводам третьего и четвертого ключевых элементов, причем вторые выводы второго и четвертого ключевых элементов через нагрузку подключены к общей шине устройства, отличающийся тем, что, с целью его упрощения, вторые выводы первого и третьего ключевых элементов подключены соответственно к первому и второму выводам биполярного источника напряжения питания, средний вывод которого подключен к обшей шине, при этом токовый двухполюсник содержит первый и второй биполярные транзисторы одного типа проводимости, третий биполярный транзистор другого типа проводимости, первый третий резисторы и опорный стабилитрон, причем первая выходная шина токового двухполюсника через первый и второй резисторы подключена соответственно к эмиттерам первого и второго транзисторов, базы которых объединены и подключены к коллектору третьего транзистора, а вторая выходная шина через третий резистор к коллектору первого и эмиттеру третьего транзисторов и через опорный стабилитрон к коллектору второго и базе третьего транзисторов.