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).

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 (K_i=I_вых/I_вх≠1) в том случае, если входной ток I_вх 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 I_вых отличается от входного на величину 2I_б, где I_б - 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 U_см и повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (К_ос.сф) в операционных усилителях на его основе. Дополнительная цель - повышение на порядок коэффициента усиления по напряжению (К_у) 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/I_вх передачи тока от численных значений I_вх. 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/I_вх 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 U_см (без учета разброса параметров элементов). Здесь U_см=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/I_вх от величины I_вх. Из графика фиг.17 следует, что известное устройство обеспечивает (в диапазоне I_вх=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 U_см (без учета разброса параметров элементов). Здесь U_cм=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 K_i18=3 - модуль коэффициента усиления по току дополнительного инвертирующего усилителя тока 8;

I_б - ток базы; I_к - ток коллектора; I_э - ток эмиттера транзисторов 1, 2, 3, 5;

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

I_вх(I_вых) - входной (выходной) ток токового зеркала.

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

То есть, при β₃=β₁ коэффициент усиления по току подсхемы 8 должен равняться трем единицам (K_i8=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 I_вх.

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 (К_у) 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 (К_ос.сф) и коэффициент подавления помехи по питанию (К_пп). Этот эффект объясняется тем, что коэффициент передачи по току предлагаемого токового зеркала 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 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.

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.