ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 2009 года по МПК G05F3/26 H03F3/04 

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), 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 4.462.005, содержащее входной 1 и выходной 2 транзисторы с объединенными базами, первый вспомогательный транзистор 3, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 4 токового зеркала, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора 1, а эмиттер соединен с первым источником смещения 5, шину первого 6 источника питания, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 7 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, повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала 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, первый вспомогательный транзистор 3, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 4 токового зеркала, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора 1, а эмиттер соединен с первым источником смещения 5, шину первого 6 источника питания, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 7 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 8, база которого подключена к базе первого вспомогательного транзистора 3, коллектор соединен с эмиттером выходного транзистора 2 и через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 9 связан со второй 10 шиной источника питания, причем базы входного 1 и выходного 2 транзисторов подключены к дополнительному источнику напряжения смещения 11, эмиттер входного транзистора 1 связан с шиной второго 10 источника питания через второй дополнительный токостабилизирующий элемент 12, а в качестве первого источника смещения 5 используется источник напряжения, связанный с шиной первого 6 источника питания.

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 первого источника смещения 5 используется общая шина первого 6 и второго 10 источников питания. При этом входной токовый сигнал моделируется источником 15, а свойства нагрузки - двухполюсником 16.

На фиг.4 изображен вариант построения токового зеркала (п.5 формулы изобретения) для случая, когда в качестве первого источника смещения 5 используется буферный усилитель на вспомогательном транзисторе 17 и двухполюснике 18.

Схема фиг.5 соответствует п.3 формулы изобретения. Здесь потенциал первого источника смещения 5 равен напряжению на шине первого 6 источника питания. К выходу 7 токового зеркала подключен выходной каскад по схеме с общим эмиттером на транзисторе 20, двухполюснике 21. Выходом устройства является узел 22.

На фиг.6 в качестве примера представлена схема дифференциального усилителя на базе заявляемого токового зеркала для случая, когда в нем применялись в качестве элементов 15, 16, 23 идеальные источники опорного тока.

На фиг.7 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (фиг.7,а), а также зависимость его выходного тока от входного (фиг.7,б).

На фиг.8 в среде PSpice представлена схема операционного усилителя на базе заявляемого токового зеркала фиг.6, на базе которой производилось измерение величины напряжения смещения нуля для случая, когда в заявляемом токовом зеркале применялись в качестве элементов 15, 16, 23 идеальные источники опорного тока.

На фиг.9 в среде PSpice представлена схема операционного усилителя на базе заявляемого токового зеркала фиг.6, на базе которой производилось измерение величины напряжения смещения нуля для случая, когда в нем применялись в качестве элементов 15, 16, 23 резисторы.

На фиг.10,а представлена схема операционного усилителя на основе заявляемого токового зеркала, на базе которой производилось измерение величины напряжения смещения нуля для случая, когда в нем в качестве элементов 15, 16, 23 использовались реальные источники опорного тока на биполярных транзисторах. Кроме этого, на фиг.10,б показана амплитудно-частотная характеристика данного ОУ.

Токовое зеркало фиг.2 содержит входной 1 и выходной 2 транзисторы с объединенными базами, первый вспомогательный транзистор 3, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 4 токового зеркала, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора 1, а эмиттер соединен с первым источником смещения 5, шину первого 6 источника питания, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 7 токового зеркала. В схему введен дополнительный транзистор 8, база которого подключена к базе первого вспомогательного транзистора 3, коллектор соединен с эмиттером выходного транзистора 2 и через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 9 связан со второй 10 шиной источника питания, причем базы входного 1 и выходного 2 транзисторов подключены к дополнительному источнику напряжения смещения 11, эмиттер входного транзистора 1 связан с шиной второго 10 источника питания через второй дополнительный токостабилизирующий элемент 12, а в качестве первого источника смещения 5 используется источник напряжения, связанный с шиной первого 6 источника питания.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения напряжение первого источника смещения 5 близко к потенциалу общей шины первого 6 и второго 10 источников питания.

На фиг.3, фиг.4 в соответствии с п.4 формулы изобретения в качестве дополнительных токовых входов 13 и 14 токового зеркала используются эмиттеры входного 1 и выходного 2 транзисторов.

На фиг.4 в соответствии с п.5 формулы изобретения первый источник напряжения смещения 5 выполнен в виде дополнительного буферного усилителя на вспомогательном транзисторе 17 и двухполюснике 16, выход которого 19 соединен с эмиттерами вспомогательного 3 и дополнительного 8 транзисторов, а вход - подключен к выходу 7 токового зеркала.

На фиг.5 в соответствии с п.3 формулы изобретения напряжение первого источника смещения 5 близко к напряжению на шине первого 6 источника питания.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.

В статическом режиме токи через двухполюсники 12 и 9

где I₁₃, I₁₄ - входные токи КДУ по входам 13 и 14;

I_эi (I_кi) - токи эмиттера (коллектора) i-го транзистора.

Если учесть, что I_к1=I_вх, а I_к2=I_вых, то из последних уравнений следует, что

Если I₉=I₁₂, I_l3=I₁₄, то выходной ток заявляемого токового зеркала пропорционален входному току:

Последнее соотношение справедливо, если

Таким образом, заявляемое устройство выполняет функции токового зеркала и может применяться в аналоговых устройствах по данному функциональному назначению.

Особенность предлагаемого токового зеркала состоит в том, что в нем обеспечивается «выравнивание» статических напряжений на входе 4 и выходе 7 за счет соответствующего выбора напряжения на первом источнике смещения 5. Это также обеспечивает существенное уменьшение U_см. Кроме этого, подключение эмиттеров 3 и 8 к выходу 19 эмиттерного повторителя (элементы 17, 18, фиг.4) создает условия для уменьшения погрешности токового зеркала за счет взаимной компенсации влияния токов базы на U_см:

Последнее равенство обеспечивается соответствующим выбором тока двухполюсника 18 (фиг.4).

Замечательная особенность зеркала фиг.4 состоит также в том, что при его использовании в операционных усилителях коэффициент усиления по напряжению К_у повышается в 3-10 раз. Это связано с эффектом взаимной компенсации влияния выходных проводимостей двухполюсников 15 и 16 на коэффициент усиления.

За счет предлагаемого токового зеркала в ОУ на его основе также 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

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), компараторах). Технический результат заключается в повышении точности передачи по току, в уменьшении напряжения смещения нуля, повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала. Токовое зеркало (ТЗ) содержит входной (1) и выходной (2) транзисторы (Т) с объединенными базами, первый вспомогательный Т(3), база которого соединена с коллектором Т(1) и входом (4)ТЗ. Коллектор Т(3) подключен к эмиттеру Т(1), а эмиттер соединен с первым источником смещения (5). Коллектор Т(2) соединен с выходом (7)ТЗ. В схему введен дополнительный Т(8), база которого подключена к базе Т (3), коллектор соединен с эмиттером Т(2) и через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (9) связан со второй (10) шиной источника питания. Базы входного (1) и выходного (2) Т подключены к дополнительному источнику напряжения смещения (11). Эмиттер Т(1) связан с шиной второго (10) источника питания через второй дополнительный токостабилизирующий элемент (12), а в качестве первого источника смещения (5) используется источник напряжения, связанный с шиной (6) первого источника питания. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Токовое зеркало, содержащее входной (1) и выходной (2) транзисторы с объединенными базами, первый вспомогательный транзистор (3), база которого соединена с коллектором входного транзистора (1) и входом (4) токового зеркала, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора (1), а эмиттер соединен с первым источником смещения (5), шину первого (6) источника питания, причем коллектор выходного транзистора (2) соединен с выходом (7) токового зеркала, отличающееся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (8), база которого подключена к базе первого вспомогательного транзистора (3), коллектор соединен с эмиттером выходного транзистора (2) и через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (9) связан со второй (10) шиной источника питания, причем базы входного (1) и выходного (2) транзисторов подключены к дополнительному источнику напряжения смещения (11), эмиттер входного транзистора (1) связан с шиной второго (10) источника питания через второй дополнительный токостабилизирующий элемент (12), а в качестве первого источника смещения (5) используется источник напряжения, связанный с шиной первого (6) источника питания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что напряжение первого источника смещения (5) близко к потенциалу общей шины первого (6) и второго (10) источников питания.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что напряжение первого источника смещения (5) близко к напряжению на шине первого (6) источника питания.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве дополнительных токовых входов (13) и (14) токового зеркала используются эмиттеры входного (1) и выходного (2) транзисторов.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый источник напряжения смещения (5) выполнен в виде дополнительного буферного усилителя на вспомогательном транзисторе (17) и двухполюснике (16), выход которого (19) соединен с эмиттерами вспомогательного (3) и дополнительного (8) транзисторов, а вход подключен к выходу (7) токового зеркала.