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, описанное в структуре ОУ по патенту США №6504419 (фиг.2), а также патентной заявке Texas Instruments (США) 2005/0127999, содержащее первый 1, второй 2 и третий 3 входные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной источника питания 4, входной транзистор выходного эмиттерного повторителя 5, база которого подключена к выходу 6 токового зеркала, причем вход 7 токового зеркала соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и связан с базами первого 1, второго 2 и третьего 3 входных транзисторов.
i
вых
вх
вх
2
3
вых
б
б
Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно не обеспечивает высокую точность передачи по току (K=I/I≠1) в том случае, если входной ток I изменяется в широком диапазоне. Следует отметить, что такой режим работы токовых зеркал характерен при их использовании в схемах многих аналоговых устройств. Кроме этого, погрешность передачи входного тока в схеме фиг.1 зависит от коэффициента усиления по току базы транзисторов 2 (β) и 3 (β). Действительно, как следует из анализа токовых соотношений в схеме фиг.1, выходной ток I отличается от входного на величину 2I, где I - ток базы транзисторов 1, 2, 3, 5. Вследствие этих недостатков известного устройства систематическая составляющая напряжения смещения нуля ОУ на его основе измеряется единицами милливольт. В большинстве случаев это неприемлемо.
см
ос.сф
у
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении точности передачи по току токового зеркала (ТЗ) и, как следствие, в уменьшении напряжения смещения нуля U и повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (К) в операционных усилителях на его основе. Дополнительная цель - повышение на порядок коэффициента усиления по напряжению (К) ОУ, в которых применяются модификации заявляемого ТЗ.
Поставленная цель достигается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем первый 1, второй 2 и третий 3 входные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной источника питания 4, входной транзистор выходного эмиттерного повторителя 5, база которого подключена к выходу 6 токового зеркала, причем вход 7 токового зеркала соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и связан с базами первого 1, второго 2 и третьего 3 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор третьего входного транзистора 3 связан с эмиттером входного транзистора выходного эмиттерного повторителя 5 через дополнительный неинвертирующий усилитель тока 8.
Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема токового зеркала фиг.2 в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.4 изображен вариант построения согласующего неинвертирующего усилителя тока 9 (п.4 формулы изобретения) для случая, когда в подсхеме 9 используется вспомогательный транзистор 13.
Схема фиг.5 соответствует фиг.2 (п.1 формулы изобретения). Однако в ней в отличие от фиг.2 показаны основные токи в элементах ТЗ, что позволяет объяснить ее работу и дать количественные оценки погрешностей.
На фиг.6 в качестве примера представлен вариант построения дополнительного неинвертирующего усилителя тока 8 (на транзисторах 14 и 15).
На фиг.7 показана схема ТЗ на основе устройства, фиг.3, 4, для случая, когда база транзистора 13 в соответствии с п.5 формулы изобретения подключена к эмиттеру транзистора 5.
На фиг.8 представлена схема токового зеркала фиг.3, соответствующего п.6 формулы изобретения.
вх
вх
На фиг.9 показана схема ТЗ, фиг.2, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже, фиг.10, - зависимость ее относительной погрешности ΔI/I передачи тока от численных значений I. Она показывает, что предлагаемое токовое зеркало имеет погрешность в диапазоне 0,3÷0,5%.
вх
На фиг.11 представлена схема токового зеркала, фиг.7, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Фиг.12 и 13 иллюстрируют зависимость ее относительной погрешности передачи тока (0,6÷1%) от численных значений 1вх при разных напряжениях питания (фиг.11, ±10 В; фиг.13, ÷5 В). Из фиг.13 следует, что ΔI/I лежит в пределах до 0,2÷0,3%.
см
см
На фиг.14 показана схема операционного усилителя на основе токового зеркала фиг.7 в среде PSpice, в которой проводилось измерение систематической составляющей ошибки напряжения смещения нуля U (без учета разброса параметров элементов). Здесь U=84 мкВ.
На фиг.15 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ОУ, фиг.14. При этом ОУ, фиг.14, имеет коэффициент усиления 81 дБ.
вх
вх
вх
На фиг.16 представлена схема известного ТЗ (прототипа) в среде PSpice, а на чертеже фиг.17 - зависимость его относительной погрешности передачи тока ΔI/I от величины I. Из графика фиг.17 следует, что известное устройство обеспечивает (в диапазоне I=0,25÷3 мА) погрешность на уровне 3÷4%, что на порядок больше, чем заявляемое токовое зеркало.
см
cм
На фиг.18 представлена схема ОУ в среде PSpice на основе токового зеркала-прототипа, в которой измерялась систематическая статическая ошибка - напряжение смещения нуля U (без учета разброса параметров элементов). Здесь U=3,68 мВ, что в 40 раз больше, чем в схеме фиг.14.
Сравнительный анализ амплитудно-частотной характеристики, ОУ фиг.18, представленной на фиг.19, и характеристики фиг.15 ОУ фиг.14 показывает, что в предлагаемом устройстве (фиг.14) коэффициент усиления повышается на 15 дБ.
Токовое зеркало фиг.2 содержит первый 1, второй 2 и третий 3 входные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной источника питания 4, входной транзистор выходного эмиттерного повторителя 5, база которого подключена к выходу 6 токового зеркала, причем вход 7 токового зеркала соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и связан с базами первого 1, второго 2 и третьего 3 входных транзисторов. Коллектор третьего входного транзистора 3 связан с эмиттером входного транзистора выходного эмиттерного повторителя 5 через дополнительный неинвертирующий усилитель тока 8.
Во всех предлагаемых схемах коэффициент передачи по току вспомогательного инвертирующего усилителя тока 8 близок к трем единицам (п.2 формулы изобретения).
В схеме фиг.3, соответствующей п.3 формулы изобретения, вход 7 токового зеркала связан с базами первого 1, второго 2 и третьего 3 входных транзисторов через согласующий неинвертирующий усилитель тока 9, имеющий вход 10, выход 11 и общий узел 12.
В схеме фиг.4, соответствующей п.4 формулы изобретения, в качестве согласующего неинвертирующего усилителя тока 9 используется вспомогательный транзистор 13, эмиттер которого является входом 10, коллектор - выходом 11, а база - общим узлом 12 согласующего неинвертирующего усилителя тока 9.
Обозначения в схеме фиг.5 полностью соответствуют обозначениям в схеме фиг.2.
В схеме фиг.6 вспомогательный неинвертирующий усилитель тока 8 реализован на базе токового зеркала, включающего элементы 14 и 15.
В схеме фиг.7, соответствующей п.5 формулы изобретения, база вспомогательного транзистора 13 подключена к эмиттеру входного транзистора выходного эмиттерного повторителя 5.
В схеме фиг.8, соответствующей п.6 формулы изобретения, база вспомогательного транзистора 13 подключена к коллектору третьего 3 входного транзистора.
Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере анализа схемы фиг.5 (фиг.2) при сравнительно небольших уровнях напряжения на коллекторе транзистора 2.
В статическом режиме в схеме фиг.2 устанавливаются следующие токи:
i18
где K=3 - модуль коэффициента усиления по току дополнительного инвертирующего усилителя тока 8;
б
к
э
I - ток базы; I- ток коллектора; I- ток эмиттера транзисторов 1, 2, 3, 5;
β - коэффициент усиления по току базы транзисторов 1, 2, 3, 5;
вх
вых
I(I) - входной (выходной) ток токового зеркала.
вых
вх
Из уравнения (7) следует, что для получения выходного тока I, равного входному (I), необходимо обеспечить выполнение равенства
3
1
i8
То есть, при β=β коэффициент усиления по току подсхемы 8 должен равняться трем единицам (K=3).
Таким образом, при небольших напряжениях на выходе 6 и выполнении условий (8) коэффициент передачи по току предлагаемого устройства равен единице
В устройстве-прототипе, фиг.1, данная составляющая коэффициента передачи определяется формулой
где ; β=10÷20 - коэффициент усиления по току базы транзисторов 1, 2, 3, 5. При этом погрешность передачи достигает величины 5÷10%.
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.
Особенность предлагаемых токовых зеркал, фиг.7, 8, состоит также в том, что в них обеспечивается «выравнивание» статических напряжений на входе 7 и выходе 6 токового зеркала. Это также уменьшает погрешности ТЗ. Кроме этого, подключение базы транзистора 13 к эмиттеру транзистора 5 создает условия для уменьшения погрешности токового зеркала за счет взаимной компенсации эффектов Эрли в транзисторах 1 и 2.
у
Замечательная особенность токовых зеркал, фиг.7 и 8, состоит также в том, что при их использовании в операционных усилителях коэффициент усиления по напряжению ОУ (К) повышается в 5÷10 раз. Это связано с эффектом взаимной компенсации влияния на коэффициент усиления паразитных выходных проводимостей транзисторов 1 и 2 в выходном узле 6 токового зеркала.
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 (фиг.10, 12, 13, 14, 15 и др.).
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 RU2193273.
55. Патентная заявка США 2004/081688.
56. Патентная заявка США 2003/0030492.