ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО Российский патент 2013 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве функционального узла компенсации входных токов в различных устройствах 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» Вильсона [1-7]. В патентной литературе эти устройства с одним и тем же функциональным назначением присутствуют в классе H03F, а также классах G05F, H03K МПК. Качественные показатели многих аналоговых устройств определяются статическими и динамическими параметрами токовых зеркал.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является токовое зеркало Вильсона, описанное в патенте US №4.528.496, fig.3, Nationel Semiconduntor, содержащее первый 1 входной транзистор, коллектор которого связан со входом 2 устройства, базой первого 3 выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку 4 первого 1 входного транзистора, второй 5 выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку 6 второго 5 выходного транзистора, шину источника питания 7, связанную с эмиттером первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку 8 первого 3 выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и токовым выходом 9 устройства.

Существенный недостаток известного токового зеркала Вильсона состоит в том, что при его реализации на биполярных p-n-p транзисторах с изолирующими p-n переходами на подложку оно не обеспечивает высокую точность передачи на выход микроамперных значений входного тока при воздействии температуры и/или потока нейтронов. Вследствие данного недостатка известное устройство при малых входных токах (десятки микроампер) и работе в широком диапазоне температур и воздействии радиации практически теряет работоспособность и основные функции.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении точности передачи малых входных токов токового зеркала Вильсона при его реализации на p-n-p транзисторах с изоляцией p-n переходами на подложку.

Поставленная задача решается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, коллектор которого связан со входом 2 устройства, базой первого 3 выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку 4 первого 1 входного транзистора, второй 5 выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку 6 второго 5 выходного транзистора, шину источника питания 7, связанную с эмиттером первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку 8 первого 3 выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и токовым выходом 9 устройства, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод закрытого p-n перехода на подложку 8 первого 3 выходного транзистора связан с коллектором второго 5 выходного транзистора.

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

На чертеже фиг.3а показана схема p-n-p транзистора компании Zarlink Semiconductor, а также эскиз его топологии, на котором буквой К₁ обозначен вывод от изолирующего кармана (фиг.3б).

На чертеже фиг.4 приведены схемы трех модификаций токового зеркала Вильсона фиг.1-фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (г.Москва):

- схема фиг.4а - не содержит изолирующих p-n переходов на подложку (идеальный случай);

- схема фиг.4б - классическое токовое зеркало Вильсона (прототип) с подключением p-n переходов на подложку к шине положительного источника питания;

- схема фиг.4в - предлагаемое токовое зеркало.

На чертеже фиг.5 показана практически линейная зависимость выходного тока токового зеркала фиг.4а (без изолирующих p-n переходов) от входного тока при разных значениях температуры (от -40 до 80°C).

На чертеже фиг.6 показана существенно нелинейная зависимость выходного тока токового зеркала-прототипа фиг.46 от его входного тока при разных значениях температуры (от -40 до 80°C).

На чертеже фиг.7 показана зависимость выходного тока предлагаемого токового зеркала фиг.4в (фиг.2) от входного тока при разных значениях температуры (от -40 до 80°C).

Токовое зеркало фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, коллектор которого связан со входом 2 устройства, базой первого 3 выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку 4 первого 1 входного транзистора, второй 5 выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку 6 второго 5 выходного транзистора, шину источника питания 7, связанную с эмиттером первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку 8 первого 3 выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и токовым выходом 9 устройства. Второй вывод закрытого p-n перехода на подложку 8 первого 3 выходного транзистора связан с коллектором второго 5 выходного транзистора.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2 с учетом влияния изолирующих p-n переходов 4, 6, 8 на подложку.

Токи на подложку в схеме фиг.2 существенно сужают диапазон линейной работы токового зеркала, в пределах которого выходной ток пропорционален входному току (I_вых≈I_вх). Действительно, для входного узла Bx.i

В активном режиме работы транзисторов 1, 3 выполняются соотношения:

где α₃ - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 3.

Таким образом:

1. Диапазон линейной работы предлагаемого токового зеркала Вильсона фиг.2 определяется численными значениями токов на подложку , , . Причем минимальный входной ток ТЗ не должен превышать значения

2. Приведенные к выходу токи и p-n переходов 4 и 6 взаимно компенсируют друг друга.

3. Выходной ток токового зеркала пропорционален входному току, если .

4. Если , α₃=1, то в предлагаемой схеме токового зеркала:

В известном устройстве фиг.2:

Следовательно, ток через p-n переход на подложку 8 в схеме фиг.1 и его температурная (радиационная) нестабильность вносят существенную погрешность в передачу входного тока.

Результаты сравнительного компьютерного моделирования токовых зеркал фиг.4, представленные на чертежах фиг.5-фиг.7, показывают, что предлагаемое токовое зеркало имеет более широкий диапазон входных токов, в пределах которого обеспечивается пропорциональность между входным и выходным токами.

Таким образом, предлагаемая схема токового зеркала имеет более широкий диапазон линейной работы и характеризуется более высокими точностными параметрами, что положительно сказывается на ряде параметров аналоговых микросхем на его основе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US №4.528.496, fig.3

2. Патент US №4.317.082, fig.3

3. Патент US №6.677.807, fig.2

4. Патент US №6.268.769, fig.3

5. Патент US №5.512.815, fig.5A

6. Патент US №3.936.725

7. Патент Н3Т №1485092, fig.2

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является повышение точности передачи малых входных токов токового зеркала Вильсона при его реализации на p-n-p транзисторах с изоляцией p-n переходами на подложку. Токовое зеркало содержит первый (1) входной транзистор, коллектор которого связан со входом (2) устройства, базой первого (3) выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку (4) первого (1) входного транзистора, второй (5) выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого (1) входного и второго (5) выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку (6) второго (5) выходного транзистора, шину источника питания (7), связанную с эмиттером первого (1) входного и второго (5) выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку (8) первого (3) выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора и токовым выходом (9) устройства. Второй вывод закрытого p-n перехода на подложку (8) первого (3) выходного транзистора связан с коллектором второго (5) выходного транзистора. 10 ил.

Токовое зеркало, содержащее первый (1) входной транзистор, коллектор которого связан со входом (2) устройства, базой первого (3) выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку (4) первого (1) входного транзистора, второй (5) выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого (1) входного и второго (5) выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку (6) второго (5) выходного транзистора, шину источника питания (7), связанную с эмиттером первого (1) входного и второго (5) выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку (8) первого (3) выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора и токовым выходом (9) устройства, отличающееся тем, что второй вывод закрытого p-n перехода на подложку (8) первого (3) выходного транзистора связан с коллектором второго (5) выходного транзистора.