ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО
CURRENT MIRROR

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, представленное в структуре ОУ по патенту фирмы Motorola (США) №4.417.216 (фиг.2), содержащее входной повторитель тока 1, имеющий вход 2, основной выход 3 и общий выход 4, входной транзистор 5 выходного эмиттерного повторителя, база которого соединена с основным выходом 3 входного повторителя тока.
Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно не обеспечивает высокую точность передачи по току (его коэффициент усиления
i
вых
вх
i
ос.сф.
K=I/I не равен единице, K≠1) из-за отрицательного влияния на К; входного транзистора 5 выходного эмиттерного повторителя. Кроме этого, погрешность передачи входного тока в схеме фиг.1 зависит от коэффициента усиления по току базы транзисторов. Вследствие этих недостатков известного устройства напряжение смещения нуля ОУ на его основе измеряется единицами милливольт, ухудшается также коэффициент ослабления синфазных сигналов К В большинстве случаев это неприемлемо.
см
ос.сф
у
Основная цель предполагаемого изобретения состоит в повышении точности передачи по току токового зеркала и, как следствие, в уменьшении напряжения смещения нуля U, повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (К) и коэффициента усиления по напряжению (К) операционных усилителей на его основе.
Поставленная цель достигается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем входной повторитель тока 1, имеющий вход 2, основной выход 3 и общий выход 4, входной транзистор 5 выходного эмиттерного повторителя, база которого соединена с основным выходом 3 входного повторителя тока, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен масштабирующий повторитель тока 6, вход которого 7 связан с общим выходом 4 входного повторителя тока 1, а выход 8 подключен к эмиттеру входного транзистора 5 выходного эмиттерного повторителя.
Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема токового зеркала фиг.2 в соответствии с п.1 формулы изобретения для случая, когда в качестве подсхем 1 и 2 применены типовые схемотехнические решения, показанные, например, на фиг.4, фиг.5.
На фиг.4 - фиг.5 изображены типовые варианты построения токового зеркала 1, а на фиг.6 - масштабирующего усилителя 6.
На схеме фиг.7, которая соответствует фиг.3 (п.1 формулы изобретения) показаны токи в схеме заявляемого устройства. Эта схема используется для пояснения работы токового зеркала фиг.3.
На фиг.8 в качестве входного повторителя тока 1 используется схема на транзисторах 25-27.
i6
На фиг.9 показана схема заявляемого устройства для случая, когда в качестве входного повторителя тока 1 используется схема фиг.4, а масштабирующий усилитель тока 6, реализованный на транзисторах 28 и 29, имеет коэффициент передачи по току K=1/3.
На фиг.10 показана схема заявляемого токового зеркала для случая, когда в качестве входного повторителя тока 1 используется схема на транзисторах 30-32.
На фиг.11 показана схема заявляемого устройства для случая, когда в качестве входного повторителя тока 1 используется схема на транзисторах 9 и 10, а масштабирующий усилитель тока 6 реализован на транзисторах 33 и 35, резисторах 36, 37 и двухполюснике 34.
На фиг.12 представлена схема токового зеркала - прототипа, на базе которой производилось компьютерное измерение погрешности передачи тока, график которой показан на фиг.13. При этом использовались модели интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а расчет проводился в среде компьютерного моделирования PSpice.
вх
вых
вх
На фиг.14 показана схема заявляемого токового зеркала, на базе которой производилось измерение погрешности передачи тока ΔI/I, график которой показан на фиг.15. На фиг.16 представлена зависимость I=f(I) схемы фиг.14. При этом использовались модели интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а расчет проводился в среде компьютерного моделирования PSpice.
На фиг.17 представлена схема заявляемого токового зеркала, соответствующего фиг.8, на базе которой производилось измерение погрешности передачи тока, график которой показан на фиг.18. При этом использовались модели интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а расчет проводился в среде компьютерного моделирования PSpice.
см
см
На фиг.19 показана схема ОУ на базе заявляемого токового зеркала фиг.10, которая использовалась для компьютерного моделирования напряжения смещения нуля U в среде PSpice. Здесь U (без учета разброса параметров элементов) Уем=43 мкВ.
у
На фиг.20 показана амплитудно-частотная характеристика ОУ фиг.19, которая показывает, что К заявляемого устройства улучшается по сравнению с прототипом фиг.21, фиг.22 на 3 дБ.
На фиг.21 показана схема ОУ на базе токового зеркала-прототипа, а на фиг.22 - ее амплитудно-частотная характеристика.
Токовое зеркало фиг.2 содержит входной повторитель тока 1, имеющий вход 2, основной выход 3 и общий выход 4, входной транзистор 5 выходного эмиттерного повторителя, база которого соединена с основным выходом 3 входного повторителя тока. В схему введен масштабирующий повторитель тока 6, вход которого 7 связан с общим выходом 4 входного повторителя тока 1, а выход 8 подключен к эмиттеру входного транзистора 5 выходного эмиттерного повторителя.
В схеме фиг.3 в качестве входного повторителя тока 1 и масштабирующего повторителя тока 6 используются элементы 9, 10 и 11, 12.
В схеме фиг.4 в качестве входного повторителя тока 1 используется классическая схема на транзисторах 13, 14, 16 и р-n переходе 15.
В схеме фиг.5 входной повторитель тока 1 реализован по классической схеме на транзисторах 17, 18, 19.
В схеме фиг.6 масштабирующий повторитель тока 6 реализован по схеме на транзисторах 21, 23 и двухполюсниках 22, 24, 26.
На фиг.7 входной повторитель тока 1 реализован на транзисторах 9, 10, а масштабирующий повторитель тока 6 на транзисторах 11, 12.
На фиг.8 входной повторитель тока 1 реализован на транзисторах 25, 26 и 27, а масштабирующий повторитель тока 6 на р-n переходе 11 и транзисторе 12.
На фиг.9 входной повторитель тока 1 реализован на транзисторах 13, 14 и 16 и р-n переходе 15 (фиг.4), а масштабирующий повторитель тока 6 с коэффициентом передачи тока 1/3 - на транзисторах 28 и 29.
На фиг.10 входной повторитель тока 1 выполнен на транзисторах 30-32 (фиг.8), а масштабирующий повторитель тока 6 - на транзисторах 11 и 12.
На фиг.11 входной повторитель тока 1 реализован на транзисторах 9 и 10, а масштабирующий повторитель тока 6 - на транзисторах 33, 35 и двухполюсниках 34, 36 и 37.
Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере анализа схемы фиг.7.
В статическом режиме в схеме фиг.7 устанавливаются следующие токи
б
к
э
где I - ток базы; I - ток коллектора; I - ток эмиттера транзисторов;
вх
вых
I - входной ток; I - выходной ток токового зеркала;
- ток базы транзисторов 11 и 12.
Таким образом, без учета эффекта Эрли в транзисторах схемы коэффициент передачи по току предлагаемого устройства равен единице, так как:
В устройстве-прототипе фиг.1 данная составляющая коэффициента передачи определяется формулой:
2
где β=5÷20 - коэффициент усиления по току базы транзистора 2.
вх
Таким образом, заявляемое устройство более качественно выполняет функции токового зеркала и может применяться в аналоговых устройствах коэффициент передачи по току обеспечивается в широком диапазонет изменения I.
вых
вх
Анализ токовых соотношений в схемах фиг.8, фиг.9, фиг.10 показывает, что их коэффициент передачи по току также равен единице: I=I·
Погрешность передачи тока ТЗ-прототипа (фиг.12, фиг.13) лежит в диапазоне 2÷2,5%.
Заявляемое устройство (фиг.14, фиг.15) имеет AI/Iвx=0,2÷0,3%, что на порядок лучше.
ос.сф
пп
ос.сф
пп
см
За счет предлагаемого токового зеркала в ОУ на его основе также существенное повышается коэффициент ослабления синфазных сигналов (К) и коэффициент подавления помехи по питанию (К). 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 и К, уменьшает U.
Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде PSpice.
Литература
1. Патент РФ №1.329.639.
2. Патент США №3.681.623.
3. Патент США №3.813.607.
4. Патент США №3.83 5.410.
5. Патент США №4.008.441, H03F 3/16.
6. Патент США №4.013.973.
7. Патент США №4.030.044 (фиг.3).
8. Патент США №4.057.763.
9. Патент США №4.095.189.
10. Патент США №4.117.417.
11. Патент США №4.241.315.
12. Патент США №4.345.213.
13. Патент США №4.412.186, H03F 3/04.
14. Патент США №4.462.005, H03F 3/04.
15. Патент США №4.471.236.
16. Патент США №4.473.794.
17. Патент США №4.567.444.
18. Патент США №4.591.804, H03F 3/04.
19. Патент США №4.769.619.
20. Патент США №4.855.686.
21. Патент США №4.879.524, H03F 3/26.
22. Патент США №4.897.614.
23. Патент США №4.937.515, G05F 3/26.
24. Патент США №4.990.864.
25. Патент США №5.053.718.
26. Патент США №5.079.518, Н03К 3/16.
27. Патент США №5.164.658.
28. Патент США №5.357.188, G05F 3/26.
29. Патент США №5.373.253.
30. Патент США №5.394.079, G05F 3/16.
31. Патент США №5.399.991.
32. Патент США №5.512.815, G05F 3/16.
33. Патент США №5.572.114.
34. Патент США №5.633.612.
35. Патент США №5.721.512.
36. Патент США №5.933.055.
37. Патент США №5.969.574.
38. Патент США №5.986.507.
39. Патент США №6.016.050.
40. Патент США №6.570.438.
41. Патент США №6.573.795.
42. Патент США №6.586.918.
43. Патент США №6.606.001.
44. Патент США №6.291.977.
45. Патент США №6.300.803.
46. Патент США №6.528.981.
47. Патент США №6.630.818.
48. Патент США №6.633.198.
49. Патент США №6.639.452.
50. Патент США №6.65 7.481.
51. Патент США №6.677.807.
52. Патент США №6.680.605.
53. Патент США №6.816.014.
54. Патент РФ RU 2193273.
55. Патентная заявка США 2004/081688.
56. Патентная заявка США 2003/0030492.