БИПОЛЯРНОЕ ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО С РЕГУЛИРУЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПЕРЕДАЧИ Российский патент 2011 года по МПК H03F3/343 G05F3/26 H03G3/30 

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может найти применение в устройствах импульсной, измерительной, усилительной техники и автоматики.

Наиболее распространенный способ электронной регулировки коэффициента передачи источника тока, управляемого током (ИТУТ) на базе токового зеркала, заключается в применении в эмиттерной или базовой цепях входных или/и выходных транзисторов управляемых источников напряжения.

Известно токовое зеркало (ТЗ) с регулируемым коэффициентом передачи [1], в котором регулирующие транзисторы, имеющие структуру, противоположную структуре входного и выходных транзисторов, вводятся в эмиттерные цепи входного и выходных транзисторов и работают как эмиттерные повторители регулирующих напряжений. Сигналом управления коэффициентом передачи по заданному выходу является дифференциальное напряжение, равное разности напряжений, приложенных к базам регулирующих транзисторов входной и заданной выходной цепи токового зеркала. Токовое зеркало с эмиттерным регулированием коэффициента передачи обладает высоким быстродействием на изменение управляющего напряжения благодаря каскадному включению выходного и регулирующего транзисторов.

Наиболее близким к предложенному является биполярное токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи [2], в котором регулирующие транзисторы, имеющие структуру, противоположную структуре входного и выходных транзисторов, вводятся в базовые цепи входного и выходных транзисторов и работают как эмиттерные повторители регулирующих напряжений. Дифференциальное напряжение, равное разности напряжений, приложенных к базам регулирующих транзисторов входного и заданного выходного каналов ТЗ, управляет коэффициентом передачи по заданному выходу. Токовое зеркало с базовым регулированием коэффициента передачи имеет более высокую крутизну регулировочной характеристики в сравнении с эмиттерным регулированием коэффициента передачи. Недостатком устройства данного типа являются низкие динамические качества. Низкое быстродействие устройства со стороны входов управления вызвано высоким выходным сопротивлением источников сигналов для входного и выходных транзисторов ТЗ, которыми являются регулировочные транзисторы. Выходные сопротивления регулировочных транзисторов вместе с входными емкостями транзисторов ТЗ образуют фильтры нижних частот с высокой постоянной времени, приводящие к спаду усиления на высоких частотах. Кроме того, регулировочные транзисторы работают при малых токах коллектора, в области спада коэффициента усиления транзистора.

Целью изобретения является расширение полосы частот для регулирующего сигнала в биполярном токовом зеркале с базовым регулированием коэффициентов передачи.

Расширение полосы частот для регулирующего сигнала в биполярном токовом зеркале с регулируемым коэффициентом передачи, содержащим входной, усиливающий, один или несколько выходных транзисторов, имеющих одну структуру, при этом коллектор входного транзистора является входом, а коллекторы выходных транзисторов являются выходами токового зеркала, база усиливающего транзистора подключена к коллектору входного транзистора, к базам входного и выходных транзисторов подключены коллекторы регулирующих транзисторов, имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры регулирующих транзисторов соединены и подключены к эмиттеру усиливающего транзистора, на базы регулирующих транзисторов подаются регулирующие напряжения, цель достигается тем, что входной и каждый выходной транзистор образуется одним или несколькими параллельно включенными одинаковыми транзисторами, к базе входного и каждого выходного транзистора подключены база и коллектор токоприемного транзистора, имеющего структуру, одинаковую структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры входного, выходных и токоприемных транзисторов подключены к шине источника питания.

Расширение полосы частот для регулирующего сигнала в биполярном токовом зеркале с регулируемым коэффициентом передачи, содержащем входной, усиливающий, один или несколько выходных транзисторов, имеющих одну структуру, при этом коллектор входного транзистора является входом, а коллекторы выходных транзисторов являются выходами токового зеркала, база усиливающего транзистора подключена к коллектору входного транзистора, к базам входного и выходных транзисторов подключены коллекторы регулирующих транзисторов, имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры регулирующих транзисторов соединены и подключены к эмиттеру усиливающего транзистора, на базы регулирующих транзисторов подаются регулирующие напряжения, цель достигается тем, что к базе входного и каждого выходного транзистора подключены база и коллектор токоприемного транзистора, имеющего структуру, одинаковую структуре транзисторов токового зеркала, к эмиттерам входного, выходного и токоприемных транзисторов подключены резисторы, другие выводы которых подсоединяются к шине источника питания.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема токового зеркала (ТЗ) с регулируемым коэффициентом передачи на транзисторах n-p-n-структуры. Токовое зеркало содержит входную клемму 1, эмиттерный повторитель на усиливающем транзисторе 2, входной транзистор 3, клемму 4 регулирующего напряжения входной цепи, регулирующий транзистор 5 входной цепи, токоприемный транзистор 6 входного канала, выходные клеммы 7 и 12, выходные транзисторы 8, 13, клеммы 9 и 14 регулирующих напряжений выходных цепей, регулирующие транзисторы 10 и 15 выходных цепей, токоприемные транзисторы 11, 16 выходных каналов, шину 17 источника питания.

На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема токового зеркала с регулируемым коэффициентом передачи на транзисторах n-p-n-структуры. Токовое зеркало содержит входную клемму 1, эмиттерный повторитель на усиливающем транзисторе 2, входной транзистор 3, клемму 4 регулирующего напряжения входной цепи, регулирующий транзистор 5 входной цепи, токоприемный транзистор 6 входного транзистора, выходные клеммы 7 и 12, выходные транзисторы 8, 13, клеммы 9 и 14 регулирующих напряжений выходных цепей, регулирующие транзисторы 10 и 15 выходных цепей, токоприемные транзисторы 11, 16 выходных транзисторов, шину 17 источника питания, эмиттерные резисторы 18, 19, 20, 21, 22, 23.

Токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи представлено на чертежах транзисторами n-p-n-структуры. Оно содержит входной транзистор 3 и N выходных транзисторов 8,…,13. Входной ток I₀ отражается на произвольный n-й выход с коэффициентом передачи: k_n=I_n/I₀, где I_n - ток n-го выхода. Регулирующие транзисторы 5, 10,..15,.. p-n-р-структуры включены в базовые цепи транзисторов токового зеркала. Они исполняют роль регулируемых источников напряжений, работающих в режиме эмиттерных повторителей регулирующих напряжений, соответственно, входной и выходных цепей. Величина регулирующего напряжения для n-го выхода равна разности напряжений на базах регулирующих транзисторов ΔU_n=U₀-U_n. Токоприемные транзисторы в диодном включении 6, 11, 16 вместе с входным и выходными транзисторами образуют внутренние токовые зеркала. Подключение токоприемных транзисторов способствует рассасыванию неосновных носителей в базах входного и выходных транзисторов. Это способствует существенному уменьшению задержки реакции выходного тока I_n при импульсном изменении дифференциального напряжения ΔU_n, т.е. расширяет полосу частот регулирующего сигнала. Другим следствием подключения токоприемных транзисторов является увеличение токов коллекторов регулирующих транзисторов. С одной стороны, это способствует увеличению коэффициентов усиления регулирующих транзисторов, с другой стороны, увеличивает ответвление входного тока в регулирующие цепи, понижает точность отражения тока. Усиливающий транзистор 2, являющийся эмиттерным повторителем напряжения на коллекторе входного транзистора, ограничивает ответвление входного тока в цепи регулирования, усиливая ответвляемый ток. Величина тока ответвления зависит от коэффициентов передачи внутренних ТЗ g₀ - входного канала, g_n - n-го выходного канала. Установка коэффициентов передачи g₀,…,g_n может осуществляться изменением количества параллельно включенных входных и выходных транзисторов ТЗ или масштабированием транзисторов при интегральном исполнении (см. фиг.1). Другим средством установки коэффициентов передачи внутренних ТЗ является подключение эмиттерных резисторов (см. фиг.2). В этом случае коэффициенты передачи g₀,…,g_n определяются отношением сопротивлений эмиттерных резисторов рассматриваемого канала.

Зависимость коэффициента передачи тока n-го выхода от регулирующих напряжений для обеих схем определяется неявным выражением относительно коэффициента передачи k_n:

где φ_T - температурный потенциал; β - статический коэффициент передачи тока транзисторов токового зеркала; r_E - объемное сопротивление эмиттера транзисторов; r_B - объемное сопротивление базы транзисторов.

Приведенное уравнение позволяет провести анализ, построить семейства передаточных характеристик k_n=f(I₀) при ΔU_n=const и регулировочных характеристик k_n=f(ΔU_n) при I₀=const биполярного токового зеркала с базовым регулированием коэффициента передачи.

Источники информации

1. Toumazou С., Lidgey F. J., Haigh D.G. Analogue IC Design: The Current-mode Approach. Eds. London: Peregrinus, pp.291-295, 1990.

2. JP 7-106867 A (OLYMPUS OPTICAL CO et al.), 21.04.1995.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и автоматики. Технический результат: расширение полосы частот. Электронная регулировка коэффициентов передачи источников тока, управляемых током на базе токового зеркала, осуществляется использованием в базовых цепях транзисторов (2) токового зеркала регулирующих транзисторов (5), имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов (2) токового зеркала и выполняющих функцию регулируемых источников напряжения. Коэффициент передачи регулируется дифференциальным напряжением, подаваемым на базы регулирующих транзисторов (5). Подключение транзисторов, образующих токовые зеркала с входным и выходными транзисторами, позволяет расширить динамический диапазон регулирующего сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи, содержащее входной, усиливающий, один или несколько выходных транзисторов, имеющих одну структуру, при этом коллектор входного транзистора является входом, а коллекторы выходных транзисторов являются выходами токового зеркала, база усиливающего транзистора подключена к коллектору входного транзистора, к базам входного и выходных транзисторов подключены коллекторы регулирующих транзисторов, имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры регулирующих транзисторов соединены и подключены к эмиттеру усиливающего транзистора, на базы регулирующих транзисторов подаются регулирующие напряжения, отличающееся тем, что входной и каждый выходной транзистор образуются одним или несколькими параллельно включенными одинаковыми транзисторами, к базе входного и каждого выходного транзистора подключены база и коллектор токоприемного транзистора, имеющие структуру, одинаковую структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры входного, выходных и токоприемных транзисторов подключены к шине источника питания.

2. Токовое зеркало по п.1, отличающееся тем, что во входной, выходные и токоприемные транзисторы включены эмиттерные резисторы.