БИПОЛЯРНОЕ ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО С РЕГУЛИРУЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПЕРЕДАЧИ
BIPOLAR CURRENT MIRROR WITH CONTROLLED TRANSFER RATIO

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.
0
n
n
0
n
n
0
n
n
n
0
n
0
n
0
n
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 I отражается на произвольный n-й выход с коэффициентом передачи: k=I/I, где I - 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=U-U. 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 при импульсном изменении дифференциального напряжения ΔU, 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 g - входного канала, g - n-го выходного канала. Установка коэффициентов передачи g,…,g 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 g,…,g определяются отношением сопротивлений эмиттерных резисторов рассматриваемого канала.
n
Зависимость коэффициента передачи тока n-го выхода от регулирующих напряжений для обеих схем определяется неявным выражением относительно коэффициента передачи k:
T
E
B
где φ - температурный потенциал; β - статический коэффициент передачи тока транзисторов токового зеркала; r - объемное сопротивление эмиттера транзисторов; r - объемное сопротивление базы транзисторов.
n
0
n
n
n
0
Приведенное уравнение позволяет провести анализ, построить семейства передаточных характеристик k=f(I) при ΔU=const и регулировочных характеристик k=f(ΔU) при I=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.