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), которые по существу являются управляемыми источниками опорного 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 составе усилителя по патенту фирмы Motorola (США) №4.030.044 (фиг.1), содержащее входной 1 и выходной 2 транзисторы, базы которых объедены, а эмиттеры подключены к шине 3 первого источника питания через первый 4 и второй 5 вспомогательные резисторы, вспомогательный транзистор 6, база которого соединена со входом 7 токового зеркала, а эмиттер соединен с источником опорного тока 8 и через цепь смещения статического потенциала 9 связан с объединенными базами входного 1 транзистора и выходного 2 транзистора, коллектор которого соединен с выходом 10 токового зеркала.
Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно не обеспечивает высокую точность передачи по току - его коэффициент передачи отличается от единицы. Следует отметить, что такой режим работы известных токовых зеркал характерен при их использовании в схемах многих операционных усилителей (ОУ) с типовой архитектурой. Вследствие данного недостатка устройства-прототипа напряжение смещения нуля ОУ на его основе измеряется единицами милливольт. В большинстве случаев это неприемлемо.
см
ос.сф
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) в операционных усилителях на его основе.
Поставленная цель достигается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем входной 1 и выходной 2 транзисторы, базы которых объедены, а эмиттеры подключены к шине 3 первого источника питания через первый 4 и второй 5 вспомогательные резисторы, вспомогательный транзистор 6, база которого соединена со входом 7 токового зеркала, а эмиттер соединен с источником опорного тока 8 и через цепь смещения статического потенциала 9 связан с объединенными базами входного 1 транзистора и выходного 2 транзистора, коллектор которого соединен с выходом 10 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 11, эмиттер которого подключен к коллектору вспомогательного транзистора 6, база соединена с эмиттером выходного транзистора 2, а коллектор связан с шиной 3 первого источника питания.
Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на чертеже фиг.2.
На чертеже фиг.3 представлена схемная реализация токового зеркала, построенная на основе прототипа фиг.1 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На чертеже фиг.4 представлена схемная реализация токового зеркала, построенная на основе заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На чертеже фиг.5 представлен график зависимости относительной погрешности передачи тока в функции от величины входного тока известного устройства.
На чертеже фиг.6 представлен график зависимости относительной погрешности передачи тока в функции от величины входного тока заявляемого устройства.
ВХ
ВХ
Сравнительный анализ результатов моделирования (фиг.5 и фиг.6) схемных решений, построенных на основе прототипа (фиг.3) и заявляемого устройства (фиг.4) показывает, что при одинаковых величинах входных токов (например, при I=0,5 мА) точность повторения I у заявляемого устройства в 6 раз выше чем у прототипа.
Токовое зеркало фиг.2 содержит входной 1 и выходной 2 транзисторы, базы которых объедены, а эмиттеры подключены к шине 3 первого источника питания через первый 4 и второй 5 вспомогательные резисторы, вспомогательный транзистор 6, база которого соединена со входом 7 токового зеркала, а эмиттер соединен с источником опорного тока 8 и через цепь смещения статического потенциала 9 связан с объединенными базами входного 1 транзистора и выходного 2 транзистора, коллектор которого соединен с выходом 10 токового зеркала. В схему введен дополнительный транзистор 11, эмиттер которого подключен к коллектору вспомогательного транзистора 6, база соединена с эмиттером выходного транзистора 2, а коллектор связан с шиной 3 первого источника питания.
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.
4
5
В статическом режиме при R=R в схеме фиг.2 устанавливаются следующие токи:
K1
ВX
Б
Э1
R4
ВX
Б
Б
*
I=I+I, I=I=I+I+I .
Б
K
Э
где: I - ток базы; I - ток коллектора; I - ток эмиттера транзисторов.
R5
R4
R5
5
R4
4
Однако необходимо учесть, что U=U. Таким образом IR=IR.
4
5
Поэтому при R=R:
R5
R4
ВЫХ
K2
Э2
Б
*
I=I, I=I=I-I ,
R5
R4
BX
б
б
Э2
BX
Б
*
*
I=I=I+I+I , I=I+I ,
ВЫХ
BX
I=I,
*
Б
б
i
вых
вх
где I  - ток базы транзисторов 1 и 2, I - ток базы транзисторов 6 и 11. Следовательно, коэффициент передачи по току К=I/I=1.
В токовом зеркале-прототипе (фиг.1)
,
.
8
вх
6
При I/I=1 и β=10 погрешность передачи тока составляет .
вх
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 (два-три порядка).
Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемой схемы в среде PSpice.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент РФ №1.329.639
2. Патент США №3.681.623
3. Патент США №3.813.607
4. Патент США №3.835.410
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 №6.657.481
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