токовое зеркало

Классы МПК:	G05F3/26 токовые зеркала H03F3/04 выполненные только на полупроводниковых приборах (последующие подгруппы имеют преимущество)
Автор(ы):	Прокопенко Николай Николаевич (RU), Манжула Владимир Гаврилович (RU), Хорунжий Андрей Васильевич (RU)
Патентообладатель(и):	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Приоритеты:	подача заявки: 2007-11-29 публикация патента: 20.07.2009

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). Технический результат заключается в повышении точности передачи по току, в уменьшении напряжения смещения нуля, повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала. Токовое зеркало (ТЗ) содержит входной (1) и выходной (2) транзисторы (Т) с объединенными базами, первый вспомогательный Т(3), база которого соединена с коллектором Т(1) и входом (4)ТЗ. Коллектор Т(3) подключен к эмиттеру Т(1), а эмиттер соединен с первым источником смещения (5). Коллектор Т(2) соединен с выходом (7)ТЗ. В схему введен дополнительный Т(8), база которого подключена к базе Т (3), коллектор соединен с эмиттером Т(2) и через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (9) связан со второй (10) шиной источника питания. Базы входного (1) и выходного (2) Т подключены к дополнительному источнику напряжения смещения (11). Эмиттер Т(1) связан с шиной второго (10) источника питания через второй дополнительный токостабилизирующий элемент (12), а в качестве первого источника смещения (5) используется источник напряжения, связанный с шиной (6) первого источника питания. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула изобретения

1. Токовое зеркало, содержащее входной (1) и выходной (2) транзисторы с объединенными базами, первый вспомогательный транзистор (3), база которого соединена с коллектором входного транзистора (1) и входом (4) токового зеркала, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора (1), а эмиттер соединен с первым источником смещения (5), шину первого (6) источника питания, причем коллектор выходного транзистора (2) соединен с выходом (7) токового зеркала, отличающееся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (8), база которого подключена к базе первого вспомогательного транзистора (3), коллектор соединен с эмиттером выходного транзистора (2) и через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (9) связан со второй (10) шиной источника питания, причем базы входного (1) и выходного (2) транзисторов подключены к дополнительному источнику напряжения смещения (11), эмиттер входного транзистора (1) связан с шиной второго (10) источника питания через второй дополнительный токостабилизирующий элемент (12), а в качестве первого источника смещения (5) используется источник напряжения, связанный с шиной первого (6) источника питания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что напряжение первого источника смещения (5) близко к потенциалу общей шины первого (6) и второго (10) источников питания.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что напряжение первого источника смещения (5) близко к напряжению на шине первого (6) источника питания.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве дополнительных токовых входов (13) и (14) токового зеркала используются эмиттеры входного (1) и выходного (2) транзисторов.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый источник напряжения смещения (5) выполнен в виде дополнительного буферного усилителя на вспомогательном транзисторе (17) и двухполюснике (16), выход которого (19) соединен с эмиттерами вспомогательного (3) и дополнительного (8) транзисторов, а вход подключен к выходу (7) токового зеркала.

Описание изобретения к патенту

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 4.462.005, содержащее входной 1 и выходной 2 транзисторы с объединенными базами, первый вспомогательный транзистор 3, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 4 токового зеркала, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора 1, а эмиттер соединен с первым источником смещения 5, шину первого 6 источника питания, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 7 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.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении точности передачи по току токового зеркала и, как следствие, в уменьшении напряжения смещения нуля, повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала 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, первый вспомогательный транзистор 3, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 4 токового зеркала, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора 1, а эмиттер соединен с первым источником смещения 5, шину первого 6 источника питания, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 7 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 8, база которого подключена к базе первого вспомогательного транзистора 3, коллектор соединен с эмиттером выходного транзистора 2 и через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 9 связан со второй 10 шиной источника питания, причем базы входного 1 и выходного 2 транзисторов подключены к дополнительному источнику напряжения смещения 11, эмиттер входного транзистора 1 связан с шиной второго 10 источника питания через второй дополнительный токостабилизирующий элемент 12, а в качестве первого источника смещения 5 используется источник напряжения, связанный с шиной первого 6 источника питания.

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 первого источника смещения 5 используется общая шина первого 6 и второго 10 источников питания. При этом входной токовый сигнал моделируется источником 15, а свойства нагрузки - двухполюсником 16.

На фиг.4 изображен вариант построения токового зеркала (п.5 формулы изобретения) для случая, когда в качестве первого источника смещения 5 используется буферный усилитель на вспомогательном транзисторе 17 и двухполюснике 18.

Схема фиг.5 соответствует п.3 формулы изобретения. Здесь потенциал первого источника смещения 5 равен напряжению на шине первого 6 источника питания. К выходу 7 токового зеркала подключен выходной каскад по схеме с общим эмиттером на транзисторе 20, двухполюснике 21. Выходом устройства является узел 22.

На фиг.6 в качестве примера представлена схема дифференциального усилителя на базе заявляемого токового зеркала для случая, когда в нем применялись в качестве элементов 15, 16, 23 идеальные источники опорного тока.

На фиг.7 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (фиг.7,а), а также зависимость его выходного тока от входного (фиг.7,б).

На фиг.8 в среде PSpice представлена схема операционного усилителя на базе заявляемого токового зеркала фиг.6, на базе которой производилось измерение величины напряжения смещения нуля для случая, когда в заявляемом токовом зеркале применялись в качестве элементов 15, 16, 23 идеальные источники опорного тока.

На фиг.9 в среде PSpice представлена схема операционного усилителя на базе заявляемого токового зеркала фиг.6, на базе которой производилось измерение величины напряжения смещения нуля для случая, когда в нем применялись в качестве элементов 15, 16, 23 резисторы.

На фиг.10,а представлена схема операционного усилителя на основе заявляемого токового зеркала, на базе которой производилось измерение величины напряжения смещения нуля для случая, когда в нем в качестве элементов 15, 16, 23 использовались реальные источники опорного тока на биполярных транзисторах. Кроме этого, на фиг.10,б показана амплитудно-частотная характеристика данного ОУ.

Токовое зеркало фиг.2 содержит входной 1 и выходной 2 транзисторы с объединенными базами, первый вспомогательный транзистор 3, база которого соединена с коллектором входного транзистора 1 и входом 4 токового зеркала, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора 1, а эмиттер соединен с первым источником смещения 5, шину первого 6 источника питания, причем коллектор выходного транзистора 2 соединен с выходом 7 токового зеркала. В схему введен дополнительный транзистор 8, база которого подключена к базе первого вспомогательного транзистора 3, коллектор соединен с эмиттером выходного транзистора 2 и через первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 9 связан со второй 10 шиной источника питания, причем базы входного 1 и выходного 2 транзисторов подключены к дополнительному источнику напряжения смещения 11, эмиттер входного транзистора 1 связан с шиной второго 10 источника питания через второй дополнительный токостабилизирующий элемент 12, а в качестве первого источника смещения 5 используется источник напряжения, связанный с шиной первого 6 источника питания.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения напряжение первого источника смещения 5 близко к потенциалу общей шины первого 6 и второго 10 источников питания.

На фиг.3, фиг.4 в соответствии с п.4 формулы изобретения в качестве дополнительных токовых входов 13 и 14 токового зеркала используются эмиттеры входного 1 и выходного 2 транзисторов.

На фиг.4 в соответствии с п.5 формулы изобретения первый источник напряжения смещения 5 выполнен в виде дополнительного буферного усилителя на вспомогательном транзисторе 17 и двухполюснике 16, выход которого 19 соединен с эмиттерами вспомогательного 3 и дополнительного 8 транзисторов, а вход - подключен к выходу 7 токового зеркала.

На фиг.5 в соответствии с п.3 формулы изобретения напряжение первого источника смещения 5 близко к напряжению на шине первого 6 источника питания.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.

В статическом режиме токи через двухполюсники 12 и 9