СХЕМА ТОКОВОГО ЗЕРКАЛА С АВТОМАТИЧЕСКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ДИАПАЗОНА Российский патент 2008 года по МПК H03F3/04 H03G1/02 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область изобретения

Настоящее изобретение относится к схеме токового зеркала, в частности к схеме токового зеркала, которая автоматически переключается на подходящий коэффициент усиления в соответствии с действующим значением входного тока смещения.

2. Описание известных технических решений

В общем, токовое зеркало состоит из некоторого множества транзисторных элементов. В одном из типов токового зеркала в качестве транзисторных элементов используются МОП-транзисторы. Благодаря характеристикам материала МОП-транзистора подача на токовое зеркало различных токов смещения влияет на точность выходного тока токового зеркала.

МОП-транзисторы, применяемые в токовом зеркале, в основном работают в области насыщения. Когда МОП-транзистор работает в области насыщения, существует простое соотношение между током истока I_ds и напряжением затвора V_gs, представленное формулой I_ds=[μC_OX(W/L)(V_gs-V_th)²/2]. Параметры μ, С_ОХ, W, L и V_gs каждого МОП-транзистора определяются в процессе изготовления, так что параметры МОП-транзисторов токового зеркала различны. Результат произведения μC_OX(W/L) для каждого МОП-транзистора токового зеркала меняется в не очень широких пределах, но когда на вход токового зеркала подаются различные входные токи смещения, значение (V_gs-V_th)) изменяется. То есть, когда на вход токового зеркала подается маленький входной ток смещения, значение (V_gs-V_th) уменьшается. Из-за характеристик материала МОП-транзистора при длительном активировании МОП-транзистора параметр V_th оказывается неустойчивым.

Поэтому нестабильность V_th непосредственно влияет на ток истока I_ds. To есть, чем меньше сигнал тока смещения, тем больше погрешность выходного тока токового зеркала.

В соответствии с Фиг.15, реальная схема токового зеркала представляет собой двухступенчатую схему, содержащую два последовательно соединенных токовых зеркала. Токовое зеркало первой ступени состоит из двух МОП-транзисторов (M1, M2) и имеет коэффициент усиления 10:1, вход и выход. Токовое зеркало второй ступени состоит из трех МОП-транзисторов (М3, М4, М5) и имеет коэффициент усиления 1:10, вход, соединенный с выходом первой ступени токового зеркала, и два выхода.

Допустим, что входной ток (I_IN), подаваемый на вход токового зеркала первой ступени, составляет 100 μА, тогда в соответствии с коэффициентом усиления (10:1) токового зеркала первой ступени ток смещения (I_B), генерируемый на выходе токового зеркала первой ступени, составит 10 μА. Ток смещения (I_B) подается на вход токового зеркала второй ступени, а затем токовое зеркало второй ступени генерирует два выходных тока (I_OUT1, I_OUT2) (100 μА) на двух входах в соответствии с коэффициентом усиления (1:10). Далее, если входной ток (I_IN), подаваемый на вход токового зеркала первой ступени, равен 10 μА, тогда ток смещения, генерируемый на выходе токового зеркала первой ступени, равен 1 μА. Затем токовое зеркало второй ступени генерирует на двух выходах два выходных тока (I_OUT1, I_OUT2) (100 μА). Поэтому погрешность выходных токов (I_OUT1, I_OUT2) возрастает, когда на вход токового зеркала второй ступени подается меньший ток смещения.

Что касается случаев практического применения с высокими требованиями к точности токового сигнала, таких как схема управления светодиодом или оптическим светодиодом и т.п. изделиями, то погрешность выходного тока нельзя игнорировать, и она приобретает все более важное значение. Поскольку схема управления оптическим светодиодом должна генерировать множество небольших управляющих токов, расхождение между входным током светодиодного изделия и управляющими токами и сдвиги между управляющими токами, очевидно, будут больше и хуже, чем в случае, когда входной ток и управляющие токи, генерируемые другой схемой управления другим изделием, работают в режиме большого сигнала. Кроме того, диапазон выходного тока ограничен, поскольку максимальный ток смещения ограничен в соответствии с ограничениями стандарта на МОП-транзисторы. Если ток смещения, подаваемый на вход МОП-транзистора, будет намного меньше максимального тока смещения, тогда погрешность выходного тока чрезвычайно возрастает, и большая погрешность выходного тока ограничивает возможности улучшения управляющей схемы с высокими требованиями к точности.

Для преодоления этих недостатков настоящее изобретение предлагает схему токового зеркала, которая автоматически включает подходящий диапазон усиления, устраняя или смягчая вышеупомянутые проблемы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основной целью изобретения является создание схемы токового зеркала, выполненного в виде многоступенчатого устройства, которое автоматически включает подходящий коэффициент усиления в соответствии с действующим в данный момент входным током смещения.

Схема токового зеркала имеет контур считывания тока, токовые зеркала передней и задней ступеней, причем каждое из них имеет регулируемый коэффициент усиления. Контур считывания тока устанавливает пороговый ток и имеет выходной ток, являющийся входным током токового зеркала передней ступени. Контур считывания тока сравнивает входной ток с пороговым значением тока, а затем выдает управляющий сигнал на токовые зеркала передней и задней ступеней, чтобы настроить подходящий коэффициент усиления. Поэтому ток смещения токового зеркала передней ступени усиливается с подходящим коэффициентом усиления, что улучшает качество выходного тока токового зеркала задней ступени.

Другие цели, преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения станут более очевидными из следующего подробного описания изобретения, которое следует рассматривать вместе с прилагаемыми чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет блок-схему устройства токового зеркала в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.2 представляет блок-схему первого варианта контура считывания тока в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.3 представляет блок-схему второго варианта контура считывания тока в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.4 представляет блок-схему третьего варианта контура считывания тока в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.5 представляет принципиальную схему первого варианта токового зеркала с регулируемым коэффициентом усиления в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.6 представляет принципиальную схему второго варианта токового зеркала с регулируемым коэффициентом усиления в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.7 представляет принципиальную схему третьего варианта токового зеркала с регулируемым коэффициентом усиления в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.8 представляет принципиальную схему четвертого варианта токового зеркала с регулируемым коэффициентом усиления в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.9 представляет принципиальную схему пятого варианта токового зеркала с регулируемым коэффициентом усиления в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.10 представляет принципиальную схему шестого варианта токового зеркала с регулируемым коэффициентом усиления в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.11 представляет принципиальную схему седьмого варианта токового зеркала с регулируемым коэффициентом усиления в схеме токового зеркала, показанного на Фиг.1;

Фиг.12 представляет принципиальную схему первого варианта схемы токового зеркала согласно настоящему изобретению;

Фиг.13 представляет принципиальную схему второго варианта схемы токового зеркала согласно настоящему изобретению;

Фиг.14 представляет графическое изображение двух соотношений, одно из которых является соотношением: выходной ток (I_OUT) и ток смещения (I_В)/ действующий перекос выходного тока токового зеркала согласно настоящему изобретению, а второе представляет соотношение: выходной ток (I_OUT) и ток смещения (I_B)/ действующий перекос выходного тока обычного токового зеркала, соответствующего известным техническим решениям; и

Фиг.15 представляет принципиальную схему обычного токового зеркала в соответствии с известными техническими решениями.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА

На Фиг.1 показана схема токового зеркала с автоматическим переключением диапазона согласно настоящему изобретению, содержащая токовое зеркало передней ступени (1), необязательное токовое зеркало средней ступени (2), токовое зеркало задней ступени (3) и контур считывания тока (4).

Токовое зеркало передней ступени (1) имеет первый регулируемый коэффициент усиления и используется для генерирования тока смещения, соответствующего действующему в данный момент входному току. Токовое зеркало задней ступени (3) имеет второй регулируемый коэффициент усиления и может быть соединено с токовым зеркалом передней ступени (1). Токовое зеркало задней ступени (3) используется для создания множественных выходных токов. Кроме того, токовое зеркало задней ступени (3) далее соединено с токовым зеркалом первой ступени (1) через, по меньшей мере, одно токовое зеркало средней ступени (2), которое может быть токовым зеркалом любого типа. Каждое токовое зеркало средней ступени (2) включает, по меньшей мере, один элемент токового зеркала передней ступени (5) и, по меньшей мере, один элемент токового зеркала задней ступени (6), соединенный с соответствующим элементом токового зеркала первой ступени (5). Термин «элемент токового зеркала» в данной заявке означает субтоковое зеркало, т.е. токовое зеркало подуровня. Последний элемент токового зеркала передней ступени (5) соединен с токовым зеркалом задней ступени (3), а первый элемент токового зеркала задней ступени (6) соединен с токовым зеркалом передней ступени (1). Далее каждый элемент токового зеркала задней ступени выдает выходной ток, так что токовое зеркало средней ступени может выдавать множественные выходные токи. Основываясь на вышеприведенном описании конфигурации схемы токового зеркала, имеющей токовое зеркало средней ступени, токовое зеркало передней ступени (1) может соединяться с N токовыми зеркалами средней ступени (2), и каждое из токовых зеркал средней ступени (2) может далее соединяться с М токовыми зеркалами задней ступени (3). Поэтому схема токового зеркала в целом содержит одно токовое зеркало (1) передней ступени и N×М зеркал задней ступени (3), выдавая N×М выходных токов.

Контур считывания тока (4) используется для детектирования токового сигнала и определения величины входного тока на передней ступени токового зеркала (1). Если входной ток меньше заданного порогового тока, тогда контур считывания тока (4) выдает на выходе управляющий сигнал для передней ступени и задней ступени токового зеркала (1, 3), чтобы одновременно настроить их коэффициенты усиления. Поэтому ток смещения не усиливается в соответствии с первым коэффициентом усиления передней ступени токового зеркала (1), но величина выходного тока по-прежнему остается постоянной.

Контур считывания тока (4) имеет много предпочтительных вариантов реализации, и три из них описываются следующим образом. Как показано на Фиг.2, первый вариант реализации контура считывания тока (4) содержит преобразователь напряжения (7) и компаратор напряжения (8).

Преобразователь напряжения (7) имеет входной контакт и выходной контакт.

Входной ток подается на входной контакт преобразователя напряжения (7), и преобразователь напряжения преобразовывает входной ток в соответствующее входное напряжение.

Компаратор напряжения (8) имеет два входа и один выход. Один из входов соединен с выходным контактом преобразователя напряжения (7), а другой вход соединен с опорным напряжением. Компаратор напряжения (8) сравнивает входное напряжение с опорным напряжением и определяет величину выходного напряжения. Выходное напряжение компаратора напряжения (8) используется в качестве управляющего сигнала.

Далее на Фиг.3 показан второй вариант реализации контура считывания тока (4), который подобен первому варианту и содержит преобразователь напряжения (7а) и компаратор напряжения (8). Преобразователь напряжения (7а) преобразовывает входной ток и опорный ток в соответствующее входное напряжение и соответствующее опорное напряжение, и он имеет два входных контакта и два выходных контакта. Два входных контакта соответственно соединены с входным током и с опорным током, а два выходных контакта соединены с компаратором напряжения (8). Компаратор напряжения (8) сравнивает входное напряжение и опорное напряжение и определяет выходное напряжение, которое используется в качестве управляющего сигнала.

Далее на Фиг.4 показан третий вариант реализации контура считывания тока (4), который содержит компаратор тока (9). Компаратор тока (9) напрямую получает сигнал входного тока и сигнал опорного тока, а затем сравнивает эти два тока, выдавая результирующий сигнал в качестве управляющего сигнала.

Кроме того, передние и задние токовые зеркала (1, 3) могут быть токовыми зеркалами многих типов, таких как аналоговые токовые зеркала или цифровые токовые зеркала.

Как показано на Фиг.5-11, токовое зеркало передней или задней ступени (1, 3) может быть составлено из полевых транзисторов и может содержать базовый двухтранзисторный источник тока, хотя бы один дополнительный транзистор и хотя бы один переключатель. Базовый двухтранзисторный источник тока имеет вход и выход, первый транзистор, второй транзистор. Вход соединен с источником входного тока. Каждый транзистор имеет электроды - исток, сток и затвор.

Электроды стока и затвора первого транзистора соединены с входом. Электроды затвора первого и второго транзисторов соединены друг с другом. Электрод стока второго транзистора соединен с выходом. Электроды истока первого и второго транзисторов соединены друг с другом. Подходящие коэффициенты усиления переднего и заднего токовых зеркал (1, 3) настраивается управлением состояниями ВКЛ/ВЫКЛ каждого транзистора МОП-структуры.

Обратимся вначале к Фиг.5, где показан первый вариант, в котором переднее или заднее токовое зеркало (1, 3) содержит базовый двухтранзисторный (M1, M2) источник тока, дополнительный транзистор (М5) и выключатель (SW1).

Дополнительный транзистор (М5) имеет электрод истока, электрод стока и электрод затвора.

Дополнительный транзистор (М5) соединен параллельно с первым транзистором (M1) базового двухтранзисторного источника тока. Электроды затвора, истока и стока дополнительного транзистора (М5) соединены с электродами затвора, истока и стока первого транзистора (M1). Выключатель (SW1) подсоединен между двумя электродами стока дополнительного и первого транзисторов (М5, M1). Поэтому управление состоянием ВКЛ/ВЫКЛ выключателя (SW1) определяет подключение или отключение дополнительного транзистора (М5) к базовому двухтранзисторному (M1, M2) источнику тока. Отношения ширины к длине первого и дополнительного транзисторов (M1, M5) такие же и больше, чем отношения ширины к длине второго транзистора (M2). Например, W/L дополнительного или первого (M1) транзистора может быть W₁:L₁, а W/L второго транзистора может составлять W₂:L₂, тогда как W₁>W₂ и L₁>L₂.

Как показано на Фиг.6, второй вариант токового зеркала имеет те же элементы, что и первый вариант, представленный на Фиг.5. Однако выключатель (SW1) соединен с электродами затвора, истока и стока дополнительного транзистора (М5), а электрод затвора дополнительного транзистора (М5) не соединен с электродом затвора первого транзистора (M1).

Как показано на Фиг.7, третий вариант токового зеркала подобен первому варианту, представленному на Фиг.5. Различия между первым и третьим вариантами таковы, что дополнительный транзистор (М5) соединен параллельно со вторым транзистором (M2), а отношения ширины к длине второго и дополнительного транзисторов (M2, М5) такие же и больше, чем эти отношения для первого транзистора (M1). Как показано на Фиг.8, четвертый вариант токового зеркала подобен второму варианту, представленному на Фиг.6. Дополнительный транзистор (М5) соединен параллельно со вторым транзистором (M2), а отношения ширины к длине второго и дополнительного транзисторов (M2, М5) такие же и больше, чем эти отношения для первого транзистора (M1).

Как показано на Фиг.9, пятый вариант токового зеркала имеет базовый двух-транзисторный (M1, M2) источник тока, содержащий первый транзистор (M1) и второй транзистор (М2), два дополнительных транзистора (М3, М5) и два выключателя (SW1, SW2). Два дополнительных транзистора (М3, М5) соответственно соединены параллельно с первым и вторым транзисторами (M1, М2). Один из выключателей (SW1) подсоединен между электродами стока одного из дополнительных транзисторов (М5) и электродом стока первого транзистора (M1), а второй выключатель (SW2) подсоединен между электродами стока другого дополнительного транзистора (М3) и электродом стока второго транзистора (М2).

Как показано на Фиг.10, шестой вариант токового зеркала подобен пятому варианту токового зеркала, однако затворные электроды двух дополнительных транзисторов (М5, М3) не соединены с затворными электродами первого и второго транзисторов (M1, M2). Один выключатель (SW1) соединен с электродами стока и истока дополнительного транзистора (М5), а второй выключатель (SW2) соединен с электродами стока и истока другого дополнительного транзистора (М3).

Как показано на Фиг.11, седьмой вариант токового зеркала имеет базовый двух-транзисторный (M1, M2) источник тока, три дополнительных транзистора (М5, М6, М7) и три выключателя (SW1, SW2, SW3). Три дополнительных транзистора (М5, М6, М7) соединены с первым транзистором (M1). Выключатели (SW1, SW2, SW3) соответственно подсоединены между электродами стока дополнительных транзисторов (М5, М6, М7) и электродом стока первого транзистора (M1).

В общем, для управления состоянием ВКЛ/ВЫКЛ каждого дополнительного транзистора лучше подавать разные напряжения на электрод затвора или стока дополнительного транзистора. Однако если коэффициенты усиления первого и второго транзисторов требуется настраивать одинаково, то на других электродах дополнительного транзистора уровень напряжения должен меняться. Вышеописанные варианты токового зеркала могут быть применены для других конфигураций токового зеркала, таких как каскодное токовое зеркало. Кроме того, могут использоваться выключатели в виде металл-оксидного прибора с каналом n-типа, металл-оксидного прибора с каналом р-типа или комбинация этих приборов.

Как показано на Фиг.12, первый вариант схемы токового зеркала согласно настоящему изобретению содержит соединенные последовательно токовые зеркала передней ступени и задней ступени (1, 3) и контур считывания тока (4), соединенный с токовым зеркалом передней ступени (1). Схема токового зеркала, выполненного по этому варианту, автоматически настраивает подходящие коэффициенты усиления токовых зеркал передней ступени и задней ступени (1, 3), генерируя постоянный выходной ток и снижая погрешность выходного тока.

Контур считывания тока имеет преобразователь напряжения и компаратор напряжения (СМР1). В этом варианте преобразователь напряжения имеет транзистор МОП-структуры (М6) и резистор (R1). Резистор (R1) последовательно соединен с транзистором МОП-структуры. Вход компаратора напряжения (СМР1) соединен с опорным напряжением (Vref), а второй вход подсоединен к узлу между транзистором МОП-структуры (М6) и резистором (R1), чтобы входное напряжение (V1) падало на резистор (R1).

В токовом зеркале передней ступени (1) используется первый вариант исполнения, показанный на Фиг.5, и оно имеет два коэффициента усиления.

Транзистор МОП-структуры (М5) токового зеркала передней ступени (1) соединен с дополнительным транзистором (М6). Состояниями ВКЛ/ВЫКЛ выключателя (SW1) управляет контур считывания тока (4). Токовое зеркало передней ступени (1) вначале определяет, в каком состоянии (ВКЛ или ВЫКЛ) находится выключатель (SW1), чтобы установить подходящий коэффициент усиления в соответствии с выходным напряжением компаратора напряжения (СМР1). Затем токовое зеркало передней ступени (1) выдает ток смещения (I_B), соответствующий действующему коэффициенту усиления.

В этом варианте исполнения токовое зеркало задней ступени (3) имеет базовый двух-транзисторный (М3, М4) источник тока, первый/второй/третий дополнительные транзисторы (М7, М8, М9) и два выключателя (SW2, SW3), управляемые контуром считывания тока (4). Двухтранзисторный (М3, М4) источник тока имеет первый транзистор (М3) и второй транзистор (М4). Три дополнительных транзистора (М7, М8, М9) параллельно соединены со вторым транзистором (М4) базового двухтранзисторного (М3, М4) источника тока.

Электрод стока первого дополнительного транзистора (М7) соединен с электродом стока второго транзистора (М4) через один выключатель (SW2). Электрод стока третьего дополнительного транзистора (М9) соединен с электродом стока второго дополнительного транзистора (М8) через другой выключатель (SW3). Поэтому токовое зеркало задней ступени (3) генерирует два выходных тока (I_OUT1, I_OUT2) в соответствии с током смещения (I_B) при действующем коэффициенте усиления. Парциальный ток, питающий контур считывания тока (4), такой же, как входной ток (I_N), поступающий в резистор R1, поскольку на резистор (R1) падает соответствующее напряжение (V1). Компаратор (СМР1) сравнивает опорное напряжение (Vref) с напряжением (V1), падающим на резистор (R1). Результат сравнения между опорным напряжением (Vref) и напряжением (V1), падающим на резистор (R1), используется для управления состоянием ВКЛ или ВЫКЛ выключателей (SW1, SW2, SW3).

Когда входной ток (I_IN) меньше порогового тока, тогда выключатели (SW1, SW2, SW3) устанавливаются а состояние ВЫКЛ, настраивая коэффициенты усиления токового зеркала передней ступени и задней ступени (1, 3). Ток смещения (I_B) усиливается, но оба выходных тока (I_OUT1, I_OUT2) остаются неизменными. Чтобы повысить точность выходного тока, контур считывания тока (4) должен срабатывать раньше срабатывания токового зеркала передней ступени и задней ступени (1, 3). Для экономии мощности контур считывания тока (4) может быть отключен с сохранением стабильности токового зеркала после того, как контур считывания тока (4) выдаст управляющий сигнал. Если схема токового зеркала применяется в схеме другого устройства с проблемами нестабильности питания, тогда контур считывания тока (4) отключаться не будет.

Токовые зеркала передней ступени и задней ступени (1, 3) используются для настройки тока смещения (I_B). Однако разный ток смещения (I_B) не оказывает влияния на величины выходных токов (I_OUT1, I_OUT2).

Например, допустим, что действующие коэффициенты усиления токовых зеркал передней ступени и задней ступени (1, 3) равны соответственно 10:1 и 1:10, а пороговый ток составляет 50 μА. Если входной ток (I_N) больше порогового тока и будет равен 100 μА, тогда ток смещения (I_B) равен 10 μА, а исходные выходные токи (I_OUT1, I_OUT2) оба будут равны 100 μA. Если входной ток (I_N) меньше порогового тока, равного 10 μА, тогда три выключателя (SW1, SW2, SW3) переключаются в состояние ВЫКЛ. Таким образом, действующие коэффициенты усиления токового зеркала передней ступени (1) и токового зеркала задней ступени (3) автоматически настраиваются на 5:1 и 1:5, и тогда ток смещения (I_B) будет равен 2 μА. Поэтому оба выходных тока (I_OUT1, I_OUT2) станут равными 10 μА.

Если коэффициенты усиления токового зеркала передней ступени (1) и токового зеркала задней ступени (3) не будут настроены на 5:1 и 1:5, тогда ток смещения (I_B) будет равен всего лишь 1 μА. Однако ток смещения (I_B) вдвое больше тока на зеркалах передней и задней ступеней (1, 3) при выключенном состоянии выключателей (SW1, SW2, SW3). Поэтому больший ток смещения (I_B) приводит к меньшей погрешности выходного тока.

Для повышения точности выходного тока схема токового зеркала, кроме того, имеет некоторое множество разных пороговых значений тока, которые используются для сравнения с действующим входным током. На Фиг.13 далее представлен второй вариант реализации схемы токового зеркала согласно настоящему изобретению с множественными пороговыми токами, в котором применены два контура считывания тока (4), имеющие два пороговых тока.

Каждый контур считывания тока (4) идентичен контуру, использованному в первом варианте исполнения, представленном на Фиг.12.

В этом варианте реализации изобретения токовое зеркало передней ступени (1) содержит базовый двухтранзисторный (M1, M2) источник тока и два дополнительных транзистора (М5, М6). Эти два дополнительных транзистора (М5, М6) соответственным образом параллельно соединены с первым транзистором (M1) базового двух-транзисторного (M1, M2) источника тока через два выключателя (SW1, SW2).

Токовое зеркало задней ступени (3) содержит базовый двухтранзисторный (М3, М4) источник тока и два дополнительных транзистора (М9, М10). Эти два дополнительных транзистора (М9, М10) соединены со вторым транзистором (М4) базового (М3, М4) источника тока через выключатели (SW3, SW4). Если контур считывания тока (4) использует два транзистора (М7, М8) с разным W/L и они подсоединены к входному току, тогда необходимо устанавливать два пороговых тока.

Таким образом, схема токового зеркала, выполненная по этому варианту, имеет три коэффициента усиления.

Когда через два резистора (R1, R2) контура считывания тока (4) протекает парциальный ток входного тока (I_N), тогда на эти резисторы (R1, R2) падают соответственно два разных напряжения (V1, V2). Два компаратора напряжения (СМР1, СМР2) контура считывания тока (4) соответственно сравнивают соответствующие напряжения V1 и V2 с общим опорным напряжением (Vref).

Результаты сравнения напряжений (V1, V2) с опорным напряжением (Vref) используются для управления состояниями ВКЛ/ВЫКЛ выключателей (SW1, SW3) токового зеркала передней ступени (1) и выключателей (SW2, SW4) токовых зеркал задней ступени (3). Когда входной ток (I_IN) меньше наименьшего порогового тока, тогда четыре выключателя (с SW1 по SW4) остаются в состоянии ВЫКЛ.

Когда входной ток (I_IN) меньше наибольшего порогового тока, но больше наименьшего порогового тока, тогда выключатели (SW1, SW3) переключаются в состояние ВКЛ, а выключатели (SW2, SW4) по-прежнему остаются в состоянии ВЫКЛ. Когда входной ток (I_IN) больше наибольшего порогового тока, тогда уже и выключатели (SW2, SW4) должны переключиться в состояние ВКЛ. Таким образом, ток смещения (I_B) усиливается, и выходной ток (I_OUT) поддерживается неизменным. То есть множественные пороговые токи могут улучшить стабильность получаемого выходного тока и увеличить регулируемый диапазон выходного тока (I_OUT), но не влияют на выходной ток (I_OUT).

Кроме того, чтобы повысить точность получаемых выходных токов, контуры считывания тока (4) должны срабатывать раньше срабатывания токовых зеркал передней ступени и задней ступени (1, 3). После того, как контуры считывания тока (4) закончат сравнение входного тока (I_N) с пороговыми токами, контуры считывания тока для экономии энергии и во избежание частого переключения выключателей (с SW1 по SW4) могут быть отключены.

Во втором варианте реализации схемы токового зеркала в контурах считывания тока (4) используют два транзистора (М7, М8) с разным W/L, чтобы иметь два пороговых тока. Однако это не единственный способ получения двух пороговых токов. Например, два контура считывания тока (4) могут использовать два транзистора с одинаковым W/L, но при этом использовать два разных резистора.

Таким образом, два напряжения (V1, V2) падающих на два соответствующих резистора (R1, R2), различны. Помимо этого, чтобы иметь два пороговых тока, эти два контура считывания тока (4) могут иметь два транзистора с одинаковым W/L, одинаковые резисторы (R1, R2), но разные компараторы напряжения (СМР1, СМР2).

Далее на Фиг.14 представлена схема токового зеркала, примененная в схеме управления оптического светодиода, имеющей многоканальные выходы. Первая кривая, обозначенная ромбовидными значками, и вторая кривая, обозначенная квадратиками, соответственно представляют соотношение между токами смещения (I_B) и выходными токами (I_OUT) обычного токового зеркала и схемы токового зеркала, выполненной согласно настоящему изобретению. Два пороговых тока схемы токового зеркала, реализованного по второму варианту исполнения, показаны в двух состояниях, которые соответственно установлены на два выходных тока: 65 μА и 130 μA. Третья кривая, обозначенная треугольными значками, и четвертая кривая, обозначенная крестиками, соответственно, представляют другое соотношение между перекосами тока и выходными токами (I_OUT) обычного токового зеркала и схемы токового зеркала, выполненной согласно настоящему изобретению. Когда выходной ток находится на минимальном уровне (24 μА), искажение тока обычного токового зеркала составляет около 4,7%, а искажение тока в схеме токового зеркала, предлагаемой настоящим изобретением, составляет только 2,8%.

Основываясь на вышеприведенном описании, когда схема токового зеркала, соответствующая настоящему изобретению, может применяться в качестве стабильного источника питания, такого как устройство питания управляющих цепей оптических светодиодных или светодиодных изделий с требованиями наличия многоканальных выходов, схема токового зеркала согласно настоящему изобретению может быть реализована с использованием множественных токовых зеркал, соединенных последовательно, что позволяет удовлетворить требования, предъявляемые к устройствам питания управляющих цепей оптических светодиодных или светодиодных изделий. Поэтому показатель искажения выходного тока и качество источника питания существенно улучшаются, а регулируемый диапазон выходного тока расширяется. Поэтому устройство питания управляющих цепей оптических светодиодных или светодиодных изделий со схемой токового зеркала может быть применено для обеспечения более обширного рабочего диапазона, что позволит уменьшить количество изделий и стоимость изделий, а также сделать их более удобными для потребителей.

Хотя в вышеизложенном описании было рассмотрено множество характеристик и преимуществ настоящего изобретения, а также подробно представлены структура и функции данного изобретения, это описание является всего лишь иллюстрацией.

Его детали могут быть изменены, в частности, в отношении формы, размера и расположения частей, оставаясь в пределах сущности и объема изобретения, которые выражены прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к электронной технике. Технический результат заключается в повышении точности регулирования выходного тока. Схема токового зеркала с автоматическим переключением диапазона содержит токовые зеркала передней ступени и задней ступени, каждое из которых имеет регулируемый коэффициент усиления. Контур считывания тока задает пороговый ток и имеет входной ток токового зеркала передней ступени. Контур считывания тока сравнивает входной ток с пороговым значением тока, а затем выдает управляющий сигнал на токовые зеркала передней и задней ступеней для настройки подходящего коэффициента усиления. Поэтому ток смещения токового зеркала задней ступени усиливается с подходящим коэффициентом усиления, что улучшает качество выходного тока токового зеркала задней ступени. 15 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Схема токового зеркала с автоматическим переключением диапазона, содержащая токовое зеркало передней ступени, включающее первый регулируемый коэффициент усиления, токовый вход, приспособленный к соединению с входным током, и токовый выход, генерирующее на выходе ток смещения, токовое зеркало задней ступени, включающее второй регулируемый коэффициент усиления, входной контакт, соединенный с токовым выходом токового зеркала передней ступени, и по меньшей мере, один выходной контакт, соединенное с токовым зеркалом передней ступени так, чтобы на него поступал ток смещения с токового зеркала передней ступени, и усиливающее ток смещения, в соответствии со вторым коэффициентом усиления, для создания на выходном контакте выходного тока, и по меньшей мере один контур считывания тока, каждый из которых электрически соединен с токовыми зеркалами передней и задней ступени и с входным током и имеет заданный пороговый ток, причем каждый контур считывания тока выдает управляющий сигнал на токовые зеркала передней и задней ступени, настраивая подходящий коэффициент усиления в соответствии с действующим входным током.2. Схема токового зеркала по п.1, дополнительно содержащая множество контуров считывания тока, имеющие соответственно разные заданные пороговые токи.3. Схема токового зеркала по п.1, дополнительно содержащая не менее одного токового зеркала средней ступени, соединенного последовательно токовым зеркалом передней ступени и задней ступени.4. Схема токового зеркала по п.3, в которой каждое токовое зеркало средней ступени содержит не менее одного элемента токового зеркала передней ступени, соединенного с токовым зеркалом задней ступени и не менее одного элемента токового зеркала задней ступени, соединенного с токовым зеркалом передней ступени, причем каждый элемент токового зеркала задней ступени выполнен с возможностью выдавать выходной ток.5. Схема токового зеркала по п.1, в которой контур считывания тока содержит преобразователь напряжения, соединенный с токовым входом токового зеркала передней ступени, предназначенный для преобразования входного тока в соответствующее напряжение и включающий входной контакт, соединенный с токовым входом токового зеркала передней ступени и выходной контакт, выводящий соответствующее напряжение, и компаратор напряжения, содержащий первый вход, соединенный с выходным контактом преобразователя напряжения, второй вход, соединенный с опорным напряжением, и выход, электрически связанный с токовыми зеркалами передней и задней ступеней, предназначенный для генерирования напряжения путем сравнения опорного напряжения с преобразованным напряжением, соответствующим входному току.6. Схема токового зеркала по п.1, в которой контур считывания тока содержит компаратор тока, включающий два входа, соответственно соединенных с токовым входом токового зеркала передней ступени и с опорным током, и выход, электрически связанный с токовыми зеркалами передней и задней ступеней, предназначенный для генерирования тока путем сравнения опорного тока с входным током.7. Схема токового зеркала по п.1, в которой токовые зеркала передней ступени и задней ступени соответственно содержат базовый двухтранзисторный источник тока, вход которого соединен с источником входного тока, и выход, генерирующий ток, предназначенный быть током смещения в токовом зеркале передней ступени и выходным током в токовом зеркале задней ступени, по меньшей мере один дополнительный транзистор, соединенный параллельно с базовым двухтранзисторным источником тока, и по меньшей мере один выключатель, подсоединенный между соответствующим дополнительным транзистором и базовым двухтранзисторным токовым зеркалом, предназначенный для определения электрической связи между соответствующим дополнительным транзистором и базовым двухтранзисторным источником тока, позволяющий настраивать коэффициент усиления токовых зеркал передней и задней ступеней.8. Схема токового зеркала по п.7, в которой по меньшей мере один дополнительный транзистор в токовом зеркале передней ступени дополнительно соединен с токовым входом.9. Схема токового зеркала по п.7, в которой по меньшей мере один дополнительный транзистор в токовом зеркале передней ступени дополнительно соединен с токовым выходом.10. Схема токового зеркала по п.7, в которой токовое зеркало передней ступени включает два дополнительных транзистора, при этом один из упомянутых дополнительных транзисторов соединен параллельно с токовым входом и базовым двухтранзисторным источником тока, а другой из упомянутых дополнительных транзисторов соединен параллельно с токовым выходом и базовым двухтранзисторным источником тока.11. Схема токового зеркала по п.7, в которой по меньшей мере один дополнительный транзистор в токовом зеркале задней ступени дополнительно соединен с входным контактом.12. Схема токового зеркала по п.7, в которой по меньшей мере один дополнительный транзистор в токовом зеркале задней ступени дополнительно соединен с токовым выходом.13. Схема токового зеркала по п.1, в которой токовое зеркало задней ступени включает два дополнительных транзистора, при этом один из упомянутых двух дополнительных транзисторов соединен параллельно с входным контактом и базовым двухтранзисторным источником тока, а другой из упомянутых дополнительных транзисторов соединен параллельно с выходным контактом и базовым двухтранзисторным источником тока.14. Схема токового зеркала по п.7, в которой каждый дополнительный транзистор является транзистором МОП-структуры, имеющим электрод стока, электрод истока и контакт затвора.15. Схема токового зеркала по п.14, в которой каждый выключатель соединен с электродом стока.16. Схема токового зеркала по п.14, в которой каждый выключатель соединен с электродом стока и контактом затвора.