ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЕ-ТОК
VOLTAGE-TO-CURRENT CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании различных усилителей, аналоговых перемножителей и других элементов автоматики и вычислительной техники.
Известны преобразователи напряжение-ток (ПНТ), имеющие высокую линейность преобразования, но обладающие большим токопотреблением [Schlotzhauer K.G., Metz A.J.Cascode feed-forward amplifier//US Patent №4,322,688. - 20.06.1982].
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ПНТ, приведенный в [Херпи М. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1983 (стр.366, рис.8.12)]. На фиг.1 показана упрощенная схема прототипа, содержащая первый транзистор, база которого является первым входом устройства, второй транзистор, база которого является вторым входом устройства, резистор, включенный между эмиттерами первого и второго транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого транзистора и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго транзистора и шиной отрицательного источника питания, выходами устройства являются соответственно коллекторы первого и второго транзисторов.
Недостатком прототипа является его низкая линейность преобразования входного напряжения в выходной ток.
Целью предлагаемого изобретения является повышение линейности преобразования напряжение-ток.
Для достижения поставленной цели в схеме прототипа, содержащей первый транзистор, база которого является первым входом устройства, второй транзистор, база которого является вторым входом устройства, резистор, включенный между эмиттерами первого и второго транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого транзистора и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго транзистора и шиной отрицательного источника питания, введены третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой транзисторы, второй резистор, причем коллектор третьего транзистора подключен к эмиттеру первого транзистора, эмиттер третьего транзистора подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику, коллектор четвертого транзистора подключен к эмиттеру второго транзистора, эмиттер четвертого транзистора подключен к второму токостабилизирующему двухполюснику, база четвертого транзистора подключена к эмиттеру пятого транзистора, база и коллектор которого объединены и подключены к эмиттеру седьмого транзистора, база которого подключена к эмиттеру первого транзистора, коллектор седьмого транзистора подключен к коллектору второго транзистора, эмиттер шестого транзистора подключен к базе третьего транзистора, база и коллектор шестого транзистора объединены и подключены к эмиттеру восьмого транзистора, база которого подключена к эмиттеру второго транзистора, коллектор восьмого транзистора подключен к коллектору первого транзистора, второй резистор включен между эмиттерами третьего и четвертого транзисторов.
Заявляемый ПНТ (фиг.2) содержит первый транзистор 1, база которого является первым входом устройства, а коллектор - первым токовым выходом устройства, второй транзистор 2, база которого является вторым входом устройства, а коллектор - вторым токовым выходом устройства, первый резистор 3, включенный между эмиттерами первого транзистора 1 и второго транзистора 2, третий транзистор 4, коллектор которого подключен к эмиттеру первого транзистора 1, первый токостабилизирующий двухполюсник 5, включенный между эмиттером третьего транзистора 4 и отрицательной шиной питания, четвертый транзистор 6, коллектор которого подключен к эмиттеру второго транзистора 2, второй токостабилизирующий двухполюсник 7, включенный между эмиттером четвертого транзистора 6 и отрицательной шиной питания, второй резистор 8, включенный между эмиттерами третьего транзистора 4 и четвертого транзистора 6, пятый транзистор 9, эмиттер которого подключен к базе четвертого транзистора 6, шестой транзистор 10, эмиттер которого подключен к базе третьего транзистора 4, седьмой транзистор 11, база которого подключена к эмиттеру первого транзистора 1, коллектор - к коллектору второго транзистора 2, а эмиттер - к коллектору и базе пятого транзистора 9, восьмой транзистор 12, база которого подключена к эмиттеру второго транзистора 2, коллектор - к коллектору первого транзистора 1, а эмиттер - к коллектору и базе шестого транзистора 10.
ВЫХ1
0
1
K
Работу заявляемого ПНТ можно пояснить следующим образом. Первичное преобразование входного напряжения в выходной ток осуществляется с помощью первого транзистора 1, второго транзистора 2 и первого резистора 3. Ток на первом токовом выходе I будет слагаться из составляющих I тока токостабилизирующего двухполюсника, приращения тока I, обусловленного наличием входного напряжения на базах транзисторов 1 и 2, тока I, причем можно показать, что
X
K
БЭ
где U - входное напряжение, R - сопротивление второго резистора 8, ΔU - разность напряжений база-эмиттер соответствующих транзисторов. Для разности напряжений база-эмиттер третьего транзистора 4 и четвертого транзистора 6 справедливо выражение:
K4
K5
с учетом I≈βI разность напряжений база-эмиттер пятого транзистора 9 и шестого транзистора 10 может быть описана
БЭ5,6
БЭ7,8
K5
K7
K6
K8
K
Очевидно, что ΔU≈ΔU, т.к. I≈I и I≈I, таким образом, компенсирующий ток I примет вид:
1
Приращение тока I можно описать как
1
где R - сопротивление первого резистора 3.
С учетом (4, 5) суммарный выходной ток
примет вид
Очевидно, что в правой части уравнения (7) можно выделить линейную и нелинейную составляющие, причем при соблюдении условия
БЭ1,2
БЭК
нелинейная составляющая стремится к нулю. При условии ΔU=ΔU равенство (8) примет вид
K
1
С учетом условия (9) I=0,5I, таким образом,
Реально, с учетом объемных сопротивлений баз транзисторов и влияния зависимости коэффициента передачи тока эмиттера от тока эмиттера выражение (9) более сложное, но в первом приближении выражение (9) показывает, что эффект компенсации нелинейности преобразования напряжение-ток присутствует.
Для подтверждения проведенного анализа приводятся результаты моделирования в среде Pspice. На фиг.3 приведены принципиальные схемы ПНТ и прототипа, для удобства сравнения результатов моделирования сведенные в одну схему с общими источниками питания и входного сигнала.
В левой части принципиальной схемы на фиг.3 изображен заявляемый преобразователь напряжение-ток, в правой части - прототип предлагаемого изобретения. Резисторы R12, R13, R3 и R4 используются в качестве датчиков тока на токовых выходах заявляемого ПНТ и прототипа. Глобальные узлы V3_3 и 3_3 представляют входы заявляемого ПНТ, a V3_1 и 3_1 - входы прототипа. В качестве транзисторов были использованы модели активных компонентов GC_05_NPN, входящие в состав АБМК 1.2, выпускаемого НПО "Интеграл (Минск) [Дворников О.В., Чеховской В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями // Chip News, №2, 1999 - с.21-23].
Σ
BX
На фиг.4 приведены графики отклонения от линейного преобразования напряжение-ток нормированной крутизны ΔI/ΔU для схемы прототипа и заявляемого ПНТ, что сделано для наглядности полученных результатов. Нормировка произведена следующим образом: взято отношение крутизны преобразования напряжение-ток к максимальному значению крутизны в диапазоне входных напряжений от -1,5 В до 1,5 В. После чего полученное значение отнимается от единицы, означающей линейное преобразование напряжение-ток. Выражение, описывающее графики, приведенные на фиг.4, можно представить в виде:
Выражение в скобках умножено на 100% для более наглядного отображения результатов моделирования, так как отклонение от линейного преобразования напряжение-ток для схемы прототипа не превышает 1%.
K
Кривая, отмеченная знаком (◇), - нормированная крутизна преобразования напряжение-ток для схемы прототипа, кривая, отмеченная знаком (), - нормированная крутизна преобразования напряжение-ток для схемы заявляемого ПНТ. В диапазоне изменения входного напряжения от -1,5 В до 1,5 В выигрыш в отклонении от линейного преобразования составляет более 50 раз: 0,005% у заявляемого ПНТ против 0,291% у схемы прототипа. Следует отметить что в процессе проведения параметрической оптимизации была обнаружена следующая зависимость: минимальное отклонение от линейного преобразования соответствует случаю совмещения значений отклонения от линейного преобразования в крайних точках диапазона входного напряжения и в точке, соответствующей значению входного напряжения, равного 0 В. Изменение формы кривой отклонения от линейного преобразования заявляемого ПНТ достигается изменением значения компенсирующего резистора R.
Таким образом, проведенный анализ и результаты схемотехнического моделирования показывают, что достигается заявляемый технический результат - повышение линейности преобразователя ток-напряжение.