ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 2009 года по МПК G05F3/26 H03F3/04 H03F3/343 

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 составе усилителя по патенту фирмы Motorola (США) №4.030.044 (фиг.1), содержащее входной 1 и выходной 2 транзисторы, базы которых объедены, а эмиттеры подключены к шине 3 первого источника питания через первый 4 и второй 5 вспомогательные резисторы, вспомогательный транзистор 6, база которого соединена со входом 7 токового зеркала, а эмиттер соединен с источником опорного тока 8 и через цепь смещения статического потенциала 9 связан с объединенными базами входного 1 транзистора и выходного 2 транзистора, коллектор которого соединен с выходом 10 токового зеркала.

Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно не обеспечивает высокую точность передачи по току - его коэффициент передачи отличается от единицы. Следует отметить, что такой режим работы известных токовых зеркал характерен при их использовании в схемах многих операционных усилителей (ОУ) с типовой архитектурой. Вследствие данного недостатка устройства-прототипа напряжение смещения нуля ОУ на его основе измеряется единицами милливольт. В большинстве случаев это неприемлемо.

Основная цель предполагаемого изобретения состоит в повышении точности передачи по току токового зеркала и, как следствие, в уменьшении напряжения смещения нуля U_см, повышении 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, базы которых объедены, а эмиттеры подключены к шине 3 первого источника питания через первый 4 и второй 5 вспомогательные резисторы, вспомогательный транзистор 6, база которого соединена со входом 7 токового зеркала, а эмиттер соединен с источником опорного тока 8 и через цепь смещения статического потенциала 9 связан с объединенными базами входного 1 транзистора и выходного 2 транзистора, коллектор которого соединен с выходом 10 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 11, эмиттер которого подключен к коллектору вспомогательного транзистора 6, база соединена с эмиттером выходного транзистора 2, а коллектор связан с шиной 3 первого источника питания.

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

На чертеже фиг.3 представлена схемная реализация токового зеркала, построенная на основе прототипа фиг.1 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.4 представлена схемная реализация токового зеркала, построенная на основе заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.5 представлен график зависимости относительной погрешности передачи тока в функции от величины входного тока известного устройства.

На чертеже фиг.6 представлен график зависимости относительной погрешности передачи тока в функции от величины входного тока заявляемого устройства.

Сравнительный анализ результатов моделирования (фиг.5 и фиг.6) схемных решений, построенных на основе прототипа (фиг.3) и заявляемого устройства (фиг.4) показывает, что при одинаковых величинах входных токов (например, при I_ВХ=0,5 мА) точность повторения I_ВХ у заявляемого устройства в 6 раз выше чем у прототипа.

Токовое зеркало фиг.2 содержит входной 1 и выходной 2 транзисторы, базы которых объедены, а эмиттеры подключены к шине 3 первого источника питания через первый 4 и второй 5 вспомогательные резисторы, вспомогательный транзистор 6, база которого соединена со входом 7 токового зеркала, а эмиттер соединен с источником опорного тока 8 и через цепь смещения статического потенциала 9 связан с объединенными базами входного 1 транзистора и выходного 2 транзистора, коллектор которого соединен с выходом 10 токового зеркала. В схему введен дополнительный транзистор 11, эмиттер которого подключен к коллектору вспомогательного транзистора 6, база соединена с эмиттером выходного транзистора 2, а коллектор связан с шиной 3 первого источника питания.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.

В статическом режиме при R₄=R₅ в схеме фиг.2 устанавливаются следующие токи:

I_K1=I_ВX+I_Б, I_Э1=I_R4=I_ВX+I_Б+I^* _Б.

где: I_Б - ток базы; I_K - ток коллектора; I_Э - ток эмиттера транзисторов.

Однако необходимо учесть, что U_R5=U_R4. Таким образом I_R5R₅=I_R4R₄.

Поэтому при R₄=R₅:

I_R5=I_R4, I_ВЫХ=I_K2=I_Э2-I^* _Б,

I_R5=I_R4=I_BX+I_б+I^* _б, I_Э2=I_BX+I^* _Б,

I_ВЫХ=I_BX,

где I^* _Б - ток базы транзисторов 1 и 2, I_б - ток базы транзисторов 6 и 11. Следовательно, коэффициент передачи по току К_i=I_вых/I_вх=1.

В токовом зеркале-прототипе (фиг.1)

,

.

При I₈/I_вх=1 и β₆=10 погрешность передачи тока составляет .

Таким образом, заявляемое устройство более качественно 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).

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), стабилизаторах напряжения, компараторах). Технический результат заключается в повышении точности передачи по току. Токовое зеркало содержит входной (1) и выходной (2) транзисторы, базы которых объедены, а эмиттеры подключены к шине (3) первого источника питания через первый (4) и второй (5) вспомогательные резисторы, вспомогательный транзистор (6), база которого соединена со входом (7) токового зеркала, а эмиттер соединен с источником опорного тока (8) и через цепь смещения статического потенциала (9) связан с объединенными базами входного (1) транзистора и выходного (2) транзистора, коллектор которого соединен с выходом (10) токового зеркала. В схему введен дополнительный транзистор (11), эмиттер которого подключен к коллектору вспомогательного транзистора (6), база соединена с эмиттером выходного транзистора (2), а коллектор связан с шиной (3) первого источника питания. 6 ил.

Токовое зеркало, содержащее входной (1) и выходной (2) транзисторы, базы которых объединены, а эмиттеры подключены к шине (3) первого источника питания через первый (4) и второй (5) вспомогательные резисторы, вспомогательный транзистор (6), база которого соединена со входом (7) токового зеркала, а эмиттер соединен с источником опорного тока (8) и через цепь смещения статического потенциала (9) связан с объединенными базами входного (1) транзистора и выходного (2) транзистора, коллектор которого соединен с выходом (10) токового зеркала, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (11), эмиттер которого подключен к коллектору вспомогательного транзистора (6), база соединена с эмиттером выходного транзистора (2), а коллектор связан с шиной (3) первого источника питания.