УСИЛИТЕЛЬ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H03K5/08 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в интегральных аналоговых устройствах.

Известен ограничитель тока (патент США N 4808858, кл. H ОЗ K 5/08), содержащий выходной транзистор, включенный по схеме с общей базой, к эмиттеру которого подключена переключательная диодная матрица, имеющая выходы для приема опорных токов и входного тока.

Недостатком данного ограничителя является высокое входное сопротивление и низкий коэффициент передачи на линейном участке характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является ограничитель тока (патент США N 4868429, кл. H ОЗ K 5/08, см. фиг. 12), содержащий первый транзистор, база которого является входом ограничителя, эмиттер соединен с эмиттером второго транзистора и выходом первого источника тока, третий транзистор, коллектор которого соединен с первой шиной питания, база соединена с коллектором четвертого транзистора, пятый транзистор, структура которого противоположна структуре первого, второго, третьего и четвертого транзисторов.

Недостатками этого устройства являются низкое значение коэффициента передачи (меньше единицы), а также повышенное входное сопротивление при малых токах смещения транзисторов.

Цель изобретения повышение коэффициента передачи усилителя-ограничителя тока и снижение его входного сопротивления.

Поставленная цель достигается тем, что в усилителе-ограничителе тока, содержащем первый транзистор, база которого является входом усилителя-ограничителя, эмиттер соединен с эмиттером второго транзистора и выходом первого источника тока, третий транзистор, коллектор которого соединен с первой шиной питания, база соединена с коллектором четвертого транзистора, пятый транзистор, структура которого противоположна структуре первого, второго, третьего и четвертого транзисторов, эмиттеры третьего и пятого транзисторов соединены через соответствующие первый и второй диодные двухполюсники с базой первого транзистора, базы третьего и пятого транзисторов соединены с выходами соответственно второго и третьего источников тока и через соответствующие третий и четвертый диодные двухполюсники соединены с базой второго транзистора, база и эмиттер четвертого транзистора соединены соответственно с базой первого транзистора и общей шиной, коллектор пятого транзистора соединен с второй шиной питания, первый и третий диодные двухполюсники состоят соответственно из N-1 и N последовательно соединенных транзисторов в диодном включении, идентичных по структуре первому транзистору, второй и четвертый диодные двухполюсники состоят соответственно из N-1 и N последовательно соединенных транзисторов, идентичных по структуре пятому транзистору, коллекторы первого и второго транзисторов являются выходами усилителя-ограничителя тока.

Предложенное устройство поясняется фиг. 1, на которой приведена его схема электрическая принципиальная, и фиг. 2, на которой показано распределение токов в устройстве при его работе.

Усилитель-ограничитель тока содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4 и пятый 5 транзисторы, первый 6, второй 7 и третий 8 источники тока, первый 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 диодные двухполюсники.

Работу предложенного устройства рассмотрим при следующих допущениях: транзисторы, имеющие одинаковую структуру, идентичны, токи базы транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их коллекторными токами, транзисторы работают на частотах много меньше граничной частоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой.

Первоначально подаются напряжения на шины питания и токи источников тока такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При этом ток, протекающий в цепи диодных двухполюсников 11, 12, а также ток в цепи транзисторов 3, 5 и диодных двухполюсников 9, 10, устанавливается равным току I₀₁ источника тока 8, а коллекторный ток транзистора 4 равным I₀₂-I₀₁, где I₀₂ ток источника тока 7. Коллекторные токи транзисторов 1 и 2 устанавливаются равными половине тока I₀₃ источника тока 6.

Поступающий на вход усилителя-ограничителя ток i_вх делится на ток i₁, протекающий в цепи диодного двухполюсника 9 и транзистора 3, и ток i₂, протекающий в цепи диодного двухполюсника 10 и транзистора 5:
i_вх i₁ + i₂ (1)
Транзистор 4 является усилительным элементом, охваченным глубокой отрицательной обратной связью с помощью цепи, образованной транзисторами 3, 5 и диодными двухполюсниками. Поэтому коллекторный ток этого транзистора практически не зависит от i_вх. Соответственно этому остается неизменным и напряжение на входе усилителя-ограничителя, равное базо-эмиттерному напряжению U_бэ4 транзистора 4. Так как входное напряжение не зависит от входного тока, входное сопротивление усилителя-ограничителя, в пределах принятых допущений, равно нулю:

Для определения величины выходного тока необходимо просуммировать напряжения вдоль замкнутых контуров, образованных базо-эмиттерными р-n-переходами транзисторов 3, 5 и транзисторов диодных двухполюсников, а также транзисторов 1, 2 и 3 и диодных двухполюсников 9 и 11:

где U_бэ1, U_бэ2, U_бэ3 базо-эмиттерные напряжения транзисторов 1, 2 и 3 соответственно; U_бэ9, U_бэ10, U_бэ11, U_бэ12 базо-эмиттерные напряжения транзисторов диодных двухполюсников 9, 10, 11 и 12 соответственно.

Представляя базо-эмиттерные напряжения с помощью уравнения Эберса-Молла с точностью до значения обратного тока р-n-перехода I_s, запишем уравнения (3), (4) в следующем виде:

где Φ_т температурный потенциал;
I_s1 обратный ток р-n-перехода транзисторов 1, 2, 3, 4 и транзисторов диодных двухполюсников 9 и 11;
I_s2 обратный ток р-n-перехода транзистора 5 и транзисторов диодных двухполюсников 10 и 12.

После преобразования уравнения (5), (6) примут следующий вид:

Система уравнений (1), (7) и (8) позволяет определить зависимость выходного тока от входного:

где
Выражение (9) определяет зависимость i_вых от i_вх во всем диапазоне изменения выходного тока. Для малых i_вх, соответствующих линейному участку передаточной характеристики усилителя-ограничителя ^(|iвх^|<<2I 01⁾ уравнение (9) можно приблизить следующим выражением:

то есть коэффициент усиления предлагаемого усилителя-ограничителя в области линейного участка характеристики равен:

Из (11) видно, что величину К₀ легко сделать много большей единицы соответствующим выбором I₀₃, I₀₁ и N.

Таким образом, преимущество заявляемого усилителя-ограничителя тока по сравнению с прототипом является близкое к нулю значение входного сопротивления независимо от величины токов смещения транзисторов и диапазона изменения входного тока, повышенное значение коэффициента усиления и возможность его регулирования как изменением соотношения токов I₀₃ и I₀₁ источников токов 6 и 8, так и изменением числа диодов в составе диодных двухполюсников.

Использование: изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в интегральных аналоговых устройствах. Сущность изобретения: устройство содержит транзисторы 1, 2, 3, 4, 5 и генераторы тока 6, 7, 8, дополнительно введены диодные двухполюсники 9, 10, 11, 12 и изменены связи в схеме усилителя. За счет этого получено близкое к нулю значение входного сопротивления и обеспечено увеличение коэффициента усиления, а также его независимость от величины входного сопротивления. 2 ил.

Усилитель-ограничитель тока, содержащий первый транзистор, база которого является входом усилителя-ограничителя, эмиттер соединен с эмиттером второго транзистора и выходом первого источника тока, третий транзистор, коллектор которого соединен с первой шиной питания, база соединена с коллектором четвертого транзистора, пятый резистор, структура которого противоположна структуре первого, второго, третьего и четвертого транзисторов, отличающийся тем, что эмиттеры третьего и пятого транзисторов соединены через соответствующие первый и второй диодные двухполюсники с базой первого транзистора, базы третьего и пятого транзисторов соединены с выходами соответственно второго и третьего источников тока и через соответствующие третий и четвертый диодные двухполюсники соединены с базой второго транзистора, база и эмиттер четвертого транзистора соединены соответственно с базой первого транзистора и общей шиной, коллектор пятого транзистора соединен с второй шиной питания, первый и третий диодные двухполюсники состоят соответственно из N 1 и N последовательно соединенных транзисторов в диодном включении, идентичных по структуре первому транзистору, второй и четвертый диодные двухполюсники состоят соответственно из N 1 и N последовательно соединенных транзисторов в диодном включении, идентичных по структуре пятому транзистору, коллекторы первого и второго транзисторов являются выходами усилителя-ограничителя тока.