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), компараторах, стабилизаторах и т.п.).
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 сегодня 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 патенте фирмы Analog Devices US №4560948, содержащее входной транзистор 1, коллектор которого соединен со входом 2 токового зеркала и токовым источником сигнала 3, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 4 связан с первой шиной 5 источника питания, выходной 6 транзистор, коллектор которого соединен с токовым выходом 7 токового зеркала и через нагрузку 8 подключен ко второй 9 шине источника питания, а эмиттер через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник 9 связан с первой 5 шиной источника питания, вспомогательный транзистор 11 цепи отрицательной обратной связи.
Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно не обеспечивает высокую точность передачи по току в том случае, если статические потенциалы на коллекторах входного 1 и выходного 6 транзисторов существенно отличаются друг от друга. Следует отметить, что такой режим работы токовых зеркал характерен при их использовании в схемах многих операционных усилителей (ОУ) с типовой архитектурой. Вследствие этого недостатка известного устройства напряжение 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 и, как следствие, в уменьшении напряжения смещения нуля и повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала в операционных усилителях на его основе.
Поставленная цель достигается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем входной транзистор 1, коллектор которого соединен со входом 2 токового зеркала и токовым источником сигнала 3, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 4 связан с первой шиной 5 источника питания, выходной 6 транзистор, коллектор которого соединен с токовым выходом 7 токового зеркала и через нагрузку 8 подключен ко второй 9 шине источника питания, а эмиттер через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник 9 связан с первой 5 шиной источника питания, вспомогательный транзистор 11 цепи отрицательной обратной связи, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 12 и второй 13 дополнительные двухполюсники, имеющие общий узел 14, первый источник напряжения смещения 15, подключенный к объединенным базам входного 1 и выходного 6 транзисторов, второй источник напряжения смещения 16, связанный с эмиттером вспомогательного транзистора 11 цепи отрицательной обратной связи, причем первый 12 и второй 13 последовательно соединенные дополнительные двухполюсники включены между эмиттерами входного 1 и выходного 6 транзисторов, общий узел 14 первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников соединен с коллектором вспомогательного транзистора 11 цепи отрицательной обратной связи, база которого соединена с коллектором водного транзистора 1.
Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.3 формулы изобретения показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема заявляемого токового зеркала в структуре операционного усилителя при частном варианте выполнения двухполюсников 12 и 13, соответствующем п.4 и п.7 формулы изобретения.
На фиг.4 изображен вариант построения токового зеркала в соответствии с п.3, п.7 и п.8 формулы изобретения.
На фиг.5 показана схема входного каскада операционного усилителя (ОУ), выходы 3 и 8 которого могут подключаться ко входам 2 и 7 заявляемого токового зеркала. Этот входной каскад выполнен на элементах 23-28.
На фиг.6 показана схема заявляемого (фиг.2) устройства в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.7 - график зависимости его выходного тока от входного тока.
см
На фиг.8 показана схема операционного усилителя с известным токовым зеркалом в среде PSpice, на базе которой выполнен компьютерный расчет напряжения смещения нуля (здесь U=14 мВ).
cм
На фиг.9 показана схема операционного усилителя с заявляемым токовым зеркалом в среде PSpice, на базе которой выполнен компьютерный расчет напряжения смещения нуля (здесь U=59 мкВ).
см
На фиг.10 представлена в среде PSpice другая схема ОУ с заявляемым токовым зеркалом, которая имеет U=250 мкВ.
Токовое зеркало фиг.2 содержит входной транзистор 1, коллектор которого соединен со входом 2 токового зеркала и источником сигнала 3, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 4 связан с первой шиной 5 источника питания, выходной 6 транзистор, коллектор которого соединен с токовым выходом 7 токового зеркала и через нагрузку 8 подключен ко второй 9 шине источника питания, а эмиттер через второй 10 токостабилизирующий двухполюсник 9 связан с первой 5 шиной источника питания, вспомогательный транзистор 11 цепи отрицательной обратной связи. В схему введены первый 12 и второй 13 дополнительные двухполюсники, имеющие общий узел 14, первый источник напряжения смещения 15, подключенный к объединенным базам входного 1 и выходного 6 транзисторов, второй источник напряжения смещения 16, связанный с эмиттером вспомогательного транзистора 11 цепи отрицательной обратной связи, причем первый 12 и второй 13 последовательно соединенные дополнительные двухполюсники включены между эмиттерами входного (1) и выходного (6) транзисторов, общий узел 14 первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников соединен с коллектором вспомогательного транзистора 11 цепи отрицательной обратной связи, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1.
В соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения (фиг.2) эмиттеры входного 1 и выходного 6 транзисторов используются в качестве дополнительных токовых входов 17 и 18 токового зеркала.
В соответствии с п.3 формулы изобретения (фиг.2) в качестве первого 4 и второго 10 токостабилизирующих двухполюсников, а также первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников используются резисторы.
В соответствии с п.4 формулы изобретения (фиг.3) в качестве первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников используются прямосмещенные p-n переходы, а в качестве первого 4 и второго 10 токостабилизирующих двухполюсников - резисторы.
В соответствии с п.5 формулы изобретения в качестве первого 4 и второго 10 токостабилизирующих двухполюсников могут использоваться прямосмещенные p-n переходы, а в качестве первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников - резисторы.
В соответствии с п.6 формулы изобретения в качестве первого 14 и второго 10 токостабилизирующих двухполюсников, а также первого 12 и второго 13 дополнительных двухполюсников могут использоваться прямосмещенные p-n переходы.
В токовом зеркале, соответствующем п.7 формулы изобретения (фиг.3), в качестве второго источника напряжения смещения (16) используется дополнительный повторитель напряжения (19), вход которого соединен с выходом (7) токового зеркала, а выход (20) соединен с эмиттером вспомогательного транзистора (11) цепи отрицательной обратной связи.
В частном случае (п.8) дополнительный повторитель напряжения 19 реализован в виде эмиттерного повторителя на транзисторе 21 и двухполюснике 22.
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.
4
10
12
13
В статическом режиме в схеме фиг.2 при R=R, R=R справедливы следующие токовые уравнения
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
Таким образом, в заявляемом токовом зеркале существует прямо пропорциональная зависимость выходного тока от входного тока. Однако это справедливо, если
16
7
2
Особенность предлагаемого токового зеркала - высокая симметрия статического режима транзисторов 1 и 2 по напряжению коллектор-база, что не реализуется в известном токовом зеркале. Данный режим обеспечивается выбором напряжения источника смещения 16 так, что U≈U≈Uили подключением эмиттера транзистора 11 к выходу 20 буферного усилителя 19 (фиг.3, фиг.4).
см
Рассмотренный комплекс мер создает условия для уменьшения систематической погрешности передачи тока токового зеркала и, как следствие, уменьшению U ОУ на основе заявляемого токового зеркала.
Данные выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.8 - фиг.10. Напряжение смещения нуля ОУ на базе заявляемого токового зеркала уменьшается без каких-либо регулировок и подстроек резисторов более чем в 10 раз.
Кроме этого в операционных усилителях с предлагаемым токовым зеркалом (фиг.3) более чем на порядок повышается коэффициент усиления по напряжению, существенно улучшается ослабление входных синфазных сигналов.
Таким образом, заявляемое токовое зеркало характеризуется более высокими точностными параметрами, что положительно сказывается на величине напряжения смещения нуля операционных усилителей на его основе.
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 RU 2193273
55. Патентная заявка США 2004/081688
56. Патентная заявка США 2003/0030492