ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 2009 года по МПК G05F3/26 H03F3/45 H03F3/04 

Описание патента на изобретение RU2367996C1

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) [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 структуре ОУ по патенту США №6504419 (фиг.2), а также патентной заявке Texas Instruments (США) 2005/0127999, содержащее первый 1, второй 2 и третий 3 входные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной источника питания 4, входной транзистор выходного эмиттерного повторителя 5, база которого подключена к выходу 6 токового зеркала, причем вход 7 токового зеркала соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и связан с базами первого 1, второго 2 и третьего 3 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно не обеспечивает высокую точность передачи по току (Ki=Iвых/Iвх≠1) в том случае, если входной ток Iвх изменяется в широком диапазоне. Следует отметить, что такой режим работы токовых зеркал характерен при их использовании в схемах многих аналоговых устройств. Кроме этого, погрешность передачи входного тока в схеме фиг.1 зависит от коэффициента усиления по току базы транзисторов 2 (β2) и 3 (β3). Действительно, как следует из анализа токовых соотношений в схеме фиг.1, выходной ток Iвых отличается от входного на величину 2Iб, где Iб - ток базы транзисторов 1, 2, 3, 5. Вследствие этих недостатков известного устройства систематическая составляющая напряжения 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 (ТЗ) и, как следствие, в уменьшении напряжения смещения нуля Uсм и повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (Кос.сф) в операционных усилителях на его основе. Дополнительная цель - повышение на порядок коэффициента усиления по напряжению (Ку) ОУ, в которых применяются модификации заявляемого ТЗ.

Поставленная цель достигается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем первый 1, второй 2 и третий 3 входные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной источника питания 4, входной транзистор выходного эмиттерного повторителя 5, база которого подключена к выходу 6 токового зеркала, причем вход 7 токового зеркала соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и связан с базами первого 1, второго 2 и третьего 3 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор третьего входного транзистора 3 связан с эмиттером входного транзистора выходного эмиттерного повторителя 5 через дополнительный неинвертирующий усилитель тока 8.

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

На фиг.3 показана схема токового зеркала фиг.2 в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 изображен вариант построения согласующего неинвертирующего усилителя тока 9 (п.4 формулы изобретения) для случая, когда в подсхеме 9 используется вспомогательный транзистор 13.

Схема фиг.5 соответствует фиг.2 (п.1 формулы изобретения). Однако в ней в отличие от фиг.2 показаны основные токи в элементах ТЗ, что позволяет объяснить ее работу и дать количественные оценки погрешностей.

На фиг.6 в качестве примера представлен вариант построения дополнительного неинвертирующего усилителя тока 8 (на транзисторах 14 и 15).

На фиг.7 показана схема ТЗ на основе устройства, фиг.3, 4, для случая, когда база транзистора 13 в соответствии с п.5 формулы изобретения подключена к эмиттеру транзистора 5.

На фиг.8 представлена схема токового зеркала фиг.3, соответствующего п.6 формулы изобретения.

На фиг.9 показана схема ТЗ, фиг.2, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже, фиг.10, - зависимость ее относительной погрешности ΔI/Iвх передачи тока от численных значений Iвх. Она показывает, что предлагаемое токовое зеркало имеет погрешность в диапазоне 0,3÷0,5%.

На фиг.11 представлена схема токового зеркала, фиг.7, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Фиг.12 и 13 иллюстрируют зависимость ее относительной погрешности передачи тока (0,6÷1%) от численных значений 1вх при разных напряжениях питания (фиг.11, ±10 В; фиг.13, ÷5 В). Из фиг.13 следует, что ΔI/Iвх лежит в пределах до 0,2÷0,3%.

На фиг.14 показана схема операционного усилителя на основе токового зеркала фиг.7 в среде PSpice, в которой проводилось измерение систематической составляющей ошибки напряжения смещения нуля Uсм (без учета разброса параметров элементов). Здесь Uсм=84 мкВ.

На фиг.15 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ОУ, фиг.14. При этом ОУ, фиг.14, имеет коэффициент усиления 81 дБ.

На фиг.16 представлена схема известного ТЗ (прототипа) в среде PSpice, а на чертеже фиг.17 - зависимость его относительной погрешности передачи тока ΔI/Iвх от величины Iвх. Из графика фиг.17 следует, что известное устройство обеспечивает (в диапазоне Iвх=0,25÷3 мА) погрешность на уровне 3÷4%, что на порядок больше, чем заявляемое токовое зеркало.

На фиг.18 представлена схема ОУ в среде PSpice на основе токового зеркала-прототипа, в которой измерялась систематическая статическая ошибка - напряжение смещения нуля Uсм (без учета разброса параметров элементов). Здесь U=3,68 мВ, что в 40 раз больше, чем в схеме фиг.14.

Сравнительный анализ амплитудно-частотной характеристики, ОУ фиг.18, представленной на фиг.19, и характеристики фиг.15 ОУ фиг.14 показывает, что в предлагаемом устройстве (фиг.14) коэффициент усиления повышается на 15 дБ.

Токовое зеркало фиг.2 содержит первый 1, второй 2 и третий 3 входные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной источника питания 4, входной транзистор выходного эмиттерного повторителя 5, база которого подключена к выходу 6 токового зеркала, причем вход 7 токового зеркала соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и связан с базами первого 1, второго 2 и третьего 3 входных транзисторов. Коллектор третьего входного транзистора 3 связан с эмиттером входного транзистора выходного эмиттерного повторителя 5 через дополнительный неинвертирующий усилитель тока 8.

Во всех предлагаемых схемах коэффициент передачи по току вспомогательного инвертирующего усилителя тока 8 близок к трем единицам (п.2 формулы изобретения).

В схеме фиг.3, соответствующей п.3 формулы изобретения, вход 7 токового зеркала связан с базами первого 1, второго 2 и третьего 3 входных транзисторов через согласующий неинвертирующий усилитель тока 9, имеющий вход 10, выход 11 и общий узел 12.

В схеме фиг.4, соответствующей п.4 формулы изобретения, в качестве согласующего неинвертирующего усилителя тока 9 используется вспомогательный транзистор 13, эмиттер которого является входом 10, коллектор - выходом 11, а база - общим узлом 12 согласующего неинвертирующего усилителя тока 9.

Обозначения в схеме фиг.5 полностью соответствуют обозначениям в схеме фиг.2.

В схеме фиг.6 вспомогательный неинвертирующий усилитель тока 8 реализован на базе токового зеркала, включающего элементы 14 и 15.

В схеме фиг.7, соответствующей п.5 формулы изобретения, база вспомогательного транзистора 13 подключена к эмиттеру входного транзистора выходного эмиттерного повторителя 5.

В схеме фиг.8, соответствующей п.6 формулы изобретения, база вспомогательного транзистора 13 подключена к коллектору третьего 3 входного транзистора.

Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере анализа схемы фиг.5 (фиг.2) при сравнительно небольших уровнях напряжения на коллекторе транзистора 2.

В статическом режиме в схеме фиг.2 устанавливаются следующие токи:

где Ki18=3 - модуль коэффициента усиления по току дополнительного инвертирующего усилителя тока 8;

Iб - ток базы; Iк - ток коллектора; Iэ - ток эмиттера транзисторов 1, 2, 3, 5;

β - коэффициент усиления по току базы транзисторов 1, 2, 3, 5;

Iвх(Iвых) - входной (выходной) ток токового зеркала.

Из уравнения (7) следует, что для получения выходного тока Iвых, равного входному (Iвх), необходимо обеспечить выполнение равенства

То есть, при β31 коэффициент усиления по току подсхемы 8 должен равняться трем единицам (Ki8=3).

Таким образом, при небольших напряжениях на выходе 6 и выполнении условий (8) коэффициент передачи по току предлагаемого устройства равен единице

В устройстве-прототипе, фиг.1, данная составляющая коэффициента передачи определяется формулой

где ; β=10÷20 - коэффициент усиления по току базы транзисторов 1, 2, 3, 5. При этом погрешность передачи достигает величины 5÷10%.

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 Iвх.

Особенность предлагаемых токовых зеркал, фиг.7, 8, состоит также в том, что в них обеспечивается «выравнивание» статических напряжений на входе 7 и выходе 6 токового зеркала. Это также уменьшает погрешности ТЗ. Кроме этого, подключение базы транзистора 13 к эмиттеру транзистора 5 создает условия для уменьшения погрешности токового зеркала за счет взаимной компенсации эффектов Эрли в транзисторах 1 и 2.

Замечательная особенность токовых зеркал, фиг.7 и 8, состоит также в том, что при их использовании в операционных усилителях коэффициент усиления по напряжению ОУ (Ку) повышается в 5÷10 раз. Это связано с эффектом взаимной компенсации влияния на коэффициент усиления паразитных выходных проводимостей транзисторов 1 и 2 в выходном узле 6 токового зеркала.

За счет предлагаемого токового зеркала в ОУ на его основе также существенное повышается коэффициент ослабления синфазных сигналов (Кос.сф) и коэффициент подавления помехи по питанию (Кпп). Этот эффект объясняется тем, что коэффициент передачи по току предлагаемого токового зеркала более близок к единице, чем в известном устройстве. В целом это повышает Кос.сф и Кпп, уменьшает Uсм.

Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде PSpice (фиг.10, 12, 13, 14, 15 и др.).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент РФ №1329639.

2. Патент США №3681623.

3. Патент США №3813607.

4. Патент США №3835410.

5. Патент США №4008441 H03f 3/16.

6. Патент США №4013973.

7. Патент США №4030044 (фиг.3).

8. Патент США №4057763.

9. Патент США №4095189.

10. Патент США №4117417.

11. Патент США №4241315.

12. Патент США №4345213.

13. Патент США №4412186 H03f 3/04.

14. Патент США №4462005 H03f 3/04.

15. Патент США №4471236.

16. Патент США №4473794.

17. Патент США №4567444.

18. Патент США №4591804 H03f 3/04.

19. Патент США №4769619.

20. Патент США №4855686.

21. Патент США №4879524 H03f 3/26.

22. Патент США №4897614.

23. Патент США №4937515 G05f 3/26.

24. Патент США №4990864.

25. Патент США №5053718.

26. Патент США №5079518 НО3К 3/16.

27. Патент США №5164658.

28. Патент США №5357188 G05f 3/26.

29. Патент США №5373253.

30. Патент США №5394079 G05f 3/16.

31. Патент США №5399991.

32. Патент США №5512815 G05f 3/16.

33. Патент США №5572114.

34. Патент США №5633612.

35 Патент США №5721512.

36. Патент США №5933055.

37. Патент США №5969574.

38. Патент США №5986507.

39. Патент США №6016050.

40. Патент США №6570438.

41. Патент США №6573795.

42. Патент США №6586918.

43. Патент США №6606001.

44. Патент США №6291977.

45. Патент США №6300803.

46. Патент США №6528981.

47. Патент США №6630818.

48. Патент США №6633198.

49. Патент США №6639452.

50. Патент США №6657481.

51. Патент США №6677807.

52. Патент США №6680605.

53. Патент США №6816014.

54. Патент РФ RU2193273.

55. Патентная заявка США 2004/081688.

56. Патентная заявка США 2003/0030492.

Похожие патенты RU2367996C1

название год авторы номер документа
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО 2008
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Конев Даниил Николаевич
  • Хорунжий Андрей Васильевич
RU2368065C1
АКТИВНАЯ НАГРУЗКА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ 2008
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Конев Даниил Николаевич
  • Хорунжий Андрей Васильевич
RU2368063C1
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО 2007
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Манжула Владимир Гаврилович
  • Хорунжий Андрей Васильевич
RU2362203C1
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО 2007
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Конев Даниил Николаевич
  • Хорунжий Андрей Васильевич
RU2362202C1
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО 2008
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Манжула Владимир Гавриилович
  • Конев Даниил Николаевич
RU2346383C1
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО 2007
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Конев Даниил Николаевич
  • Манжула Владимир Гавриилович
RU2343626C1
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО 2007
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Конев Даниил Николаевич
  • Хорунжий Андрей Васильевич
RU2343627C1
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО 2008
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Манжула Владимир Гавриилович
  • Хорунжий Андрей Васильевич
RU2365971C1
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО 2007
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Конев Даниил Николаевич
  • Хорунжий Андрей Васильевич
RU2365970C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ 2009
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Серебряков Александр Игоревич
  • Будяков Петр Сергеевич
RU2401507C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 367 996 C1

Реферат патента 2009 года ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО

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 первый (1), второй (2) и третий (3) входные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной источника питания (4), входной транзистор выходного эмиттерного повторителя (5), база которого подключена к выходу (6) токового зеркала, причем вход (7) токового зеркала соединен с коллектором первого (1) входного транзистора и связан с базами первого (1), второго (2) и третьего (3) входных транзисторов. Коллектор третьего входного транзистора (3) связан с эмиттером входного транзистора выходного эмиттерного повторителя (5) через дополнительный неинвертирующий усилитель тока (8). 5 з.п. ф-лы, 19 ил.

Формула изобретения RU 2 367 996 C1

1. Токовое зеркало, содержащее первый (1), второй (2) и третий (3) входные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной источника питания (4), входной транзистор выходного эмиттерного повторителя (5), база которого подключена к выходу (6) токового зеркала, причем вход (7) токового зеркала соединен с коллектором первого (1) входного транзистора и связан с базами первого (1), второго (2) и третьего (3) входных транзисторов, отличающееся тем, что коллектор третьего входного транзистора (3) связан с эмиттером входного транзистора выходного эмиттерного повторителя (5) через дополнительный неинвертирующий усилитель тока (8).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коэффициент усиления по току дополнительного неинвертирующего усилителя тока (8) близок к трем единицам.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход (7) токового зеркала связан с базами первого (1), второго (2) и третьего (3) входных транзисторов через согласующий неинвертирующий усилитель тока (9), имеющего вход (10), выход (11) и общий узел (12).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве согласующего неинвертирующего усилителя тока (9) используется вспомогательный транзистор (13), эмиттер которого является входом (10), коллекторвыходом (11), а база - общим узлом (12) согласующего неинвертирующего усилителя тока (9).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что база вспомогательного транзистора (13) подключена к эмиттеру входного транзистора выходного эмиттерного повторителя (5).

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что база вспомогательного транзистора (13) подключена к коллектору третьего (3) входного транзистора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2367996C1

US 6504419 B1, 07.01.2003
ДВУХТАКТНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2000
  • Хмельницкий С.Л.
  • Лебедев А.А.
  • Никифоров Н.В.
RU2193273C2
Способ обработки целлюлозных материалов, с целью тонкого измельчения или переведения в коллоидальный раствор 1923
  • Петров Г.С.
SU2005A1
Способ и приспособление для нагревания хлебопекарных камер 1923
  • Иссерлис И.Л.
SU2003A1

RU 2 367 996 C1

Авторы

Прокопенко Николай Николаевич

Серебряков Александр Игоревич

Хорунжий Андрей Васильевич

Даты

2009-09-20Публикация

2008-02-21Подача