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 патенте США 6.300.803, фиг.5, содержащее входной 1 и выходной 2 транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной первого источника питания 3, первый вспомогательный транзистор 4, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 5 токового зеркала, первый вспомогательный двухполюсник 6, первый вывод которого связан с шиной второго источника питания 7, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 8 токового зеркала.
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.
см
у
ос.сф
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении точности передачи по току токового зеркала и, как следствие, в уменьшении напряжения смещения нуля U, повышении на 1-3 порядка коэффициента усиления по напряжению (К) и 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 с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной первого источника питания 3, первый вспомогательный транзистор 4, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 5 токового зеркала, первый вспомогательный двухполюсник 6, первый вывод которого связан с шиной второго источника питания 7, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 8 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен инвертирующий усилитель тока 9, вход которого 10 соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 4, а выход 11 подключен к объединенным базам входного 1 и выходного 2 транзисторов и ко второму выводу первого вспомогательного двухполюсника 6, причем эмиттер первого вспомогательного транзистора 4 связан с шиной второго источника питания 7 через дополнительный источник напряжения смещения 12.
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.2 формулы изобретения для случая, когда в качестве дополнительного источника напряжения смещения 12 используется общая шина первого 3 и второго 7 источников питания. При этом входной токовый сигнал моделируется источником 13, а свойства нагрузки - двухполюсником 14. К выходу 5 токового зеркала подключен дополнительный буферный усилитель 15 на основе транзистора 16 и двухполюсника 17. Выходом буферного усилителя 18 является эмиттер транзистора 16.
На фиг.4 изображен другой вариант построения токового зеркала (п.2 формулы изобретения) для случая, когда в качестве дополнительного источника напряжения смещения 12 используется дополнительный буферный усилитель на вспомогательном транзисторе 16 и двухполюснике 17.
Схема фиг.5 соответствует п.3 формулы изобретения.
На фиг.6 в качестве примера представлена схема повторителя напряжения на базе заявляемого токового зеркала.
см
На фиг.7 показана схема операционного усилителя на базе токового зеркала-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь напряжение смещения нуля U=5,01 мВ.
cм
На фиг.8 в среде PSpice представлена другая схема операционного усилителя на основе заявляемого токового зеркала фиг.5, на базе которой производилось измерение величины напряжения смещения нуля. Здесь U=10,7 мкВ.
см
см
На фиг.9, фиг.10 в среде PSpice представлены другие схемы операционных усилителей на базе известного (фиг.9) и заявляемого (фиг.10) токового зеркала, в которых производилось измерение величины напряжения смещения нуля. Для схемы фиг.9 - U=27 мкВ. В схеме фиг.10 - U=20 мкВ.
у
На фиг.11 показаны графики частотной зависимости коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг.9 и фиг.10. Они показывают, что предлагаемое токовое зеркало увеличивает К на 65 дБ, т.е. более чем в 1000 раз.
Токовое зеркало фиг.2 содержит входной 1 и выходной 2 транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной первого источника питания 3, первый вспомогательный транзистор 4, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 5 токового зеркала, первый вспомогательный двухполюсник 6, первый вывод которого связан с шиной второго источника питания 7, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 8 токового зеркала. В схему введен инвертирующий усилитель тока 9, вход которого 10 соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 4, а выход 11 подключен к объединенным базам входного 1 и выходного 2 транзисторов и ко второму выводу первого вспомогательного двухполюсника 6, причем эмиттер первого вспомогательного транзистора 4 связан со шиной второго источника питания 7 через дополнительный источник напряжения смещения 12.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения потенциал дополнительного источника напряжения смещения 12 приблизительно равен потенциалу общей шины первого 3 и второго 7 источников питания. Свойства источника входного сигнала моделируются двухполюсником 13, а свойства нагрузки - двухполюсником 14. Буферный усилитель 15 реализован на транзисторе 16 и двухполюснике 17. Выходом буферного усилителя 18 является эмиттер транзистора 16.
На фиг.4 показана схема операционного усилителя с заявляемым токовым зеркалом. Здесь входной источник токового сигнала моделируется дифференциальным каскадом 19 с токостабилизирующим двухполюсником 20 общей эмиттерной цепи, двухполюсниками 21 и 22, а также транзисторами 24, 25, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 23. Буферный усилитель выполнен здесь на транзисторе 16 и двухполюснике 17.
На фиг.5 в соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве дополнительного источника напряжения смещения 12 используется дополнительный буферный усилитель 15, выход которого 18 соединен с эмиттером вспомогательного транзистора 4, а вход связан с выходом токового зеркала 8. Элементы схемы фиг.5 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 16, 17, 15 и 18 имеют такое же назначение, как и на фиг.4.
Прецизионный повторитель напряжения фиг.6 содержит заявляемое токовое зеркало фиг.2 (в соответствии с п.3 формулы изобретения), буферный усилитель 15. В качестве источника входного сигнала 13 и нагрузки 14 здесь используется типовой параллельно-балансный каскад 26 на транзисторах 27, 28 и двухполюснике 29 в общей эмиттерной цепи.
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.3.
5
8
В статическом режиме при U≈U токи в схеме фиг.3 устанавливаются следующие токи:
к1
13
б4
13
вх
э1
э2
I=I+I≈I=I=I=I,
11
к4
i12.9
6
I=IК≈I,
вых
14
вых
к2
б16
к2
I=I=I=I- I≈I
i12.9
где К - коэффициент усиления по току инвертирующего усилителя тока 9;
б
к
э
I - ток базы; I - ток коллектора; I - ток эмиттера транзисторов;
6
I - ток двухполюсника 6.
5
8
Таким образом, при U≈U коэффициент передачи по току предлагаемого устройства близок к единице:
вых
вх
I=I.
вх
Таким образом, заявляемое устройство 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).
см
см
Особенность предлагаемого токового зеркала состоит в том, что в нем обеспечивается «выравнивание» статических напряжений на входе 5 и выходе 8 за счет соответствующего выбора напряжения на первом источнике смещения 12. Это также обеспечивает существенное уменьшение U. Кроме этого, подключение эмиттера транзистора 4 к выходу 18 буферного усилителя 15 (элементы 16, 17, фиг.5) создает условия для уменьшения погрешности токового зеркала за счет взаимной компенсации влияния токов базы транзисторов 4 и 16 на U:
б4
б16
I≈I.
Последнее равенство обеспечивается соответствующим выбором токов двухполюсников 17 и 6 (фиг.5).
у
Замечательная особенность токового зеркала фиг.5 состоит также в том, что при его использовании в операционных усилителях коэффициент усиления по напряжению К повышается более чем на три порядка (фиг.11). Это связано с эффектом взаимной компенсации влияния паразитных выходных проводимостей в выходном узле токового зеркала схемы фиг.10 на коэффициент усиления.
ос.сф
пп
ос.сф
пп
см
За счет предлагаемого токового зеркала в ОУ на его основе также существенно повышается коэффициент ослабления синфазных сигналов (К) и коэффициент подавления помехи по питанию (К). Этот эффект объясняется тем, что коэффициент передачи по току предлагаемых токовых зеркал более близок к единице, чем в известном устройстве. В целом это повышает К и К, уменьшает U.
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