устройство для выделения модуля разности двух входных токов

Формула изобретения

1. Устройство для выделения модуля разности двух входных токов, содержащее токовый вход (1) и токовый выход (2), первый (3) входной транзистор, эмиттер которого соединен с токовым входом устройства (1), база подключена к первому (4) источнику вспомогательного напряжения, а коллектор соединен со входом токового зеркала (5), согласованного с первой (6) шиной источника питания, второй (7) входной транзистор, эмиттер которого соединен с токовым входом (1) устройства, а база подключена ко второму (8) источнику вспомогательного напряжения, отличающийся тем, что коллектор второго (7) входного транзистора соединен с токовым выходом (2) устройства, причем токовый выход (2) устройства согласован со второй (9) шиной источника питания.

2. Устройство для выделения модуля разности двух входных токов по п.1, отличающееся тем, что напряжения первого (4) и второго (8) источников вспомогательных напряжений незначительно отличаются друг от друга, а также могут принимать одинаковые значения.

Описание изобретения к патенту

Предполагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, автоматики и может использоваться в различных цифровых структурах и системах автоматического управления, передачи информации и т.п.

В современной аналого-цифровой микросхемотехнике широкое применение получила структура преобразователя входных токовых сигналов с токовым выходом (фиг.1), которая является базовой для так называемых усилителей с «токовой» обратной связью [1-8].

Ближайшим прототипом предлагаемого устройства является каскад преобразования двух входных токов, представленный в патенте US 5.791.414 fig.2. Данная структура присутствует также в других патентах [2-7] и статьях [8].

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не выполняет логическую функцию выделения модуля разности двух входных логических токов, что не позволяет реализовывать на его основе различные логические элементы средств вычислительной техники в элементном базисе линейной алгебры [9, 10].

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в реализации логической операции выделения модуля разности двух входных токов, соответствующих многозначным логическим уравнениям.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для преобразования входных токов (фиг.1), содержащем токовый вход 1 и токовый выход 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого соединен с токовым входом устройства 1, база подключена к первому 4 источнику вспомогательного напряжения, а коллектор соединен со входом токового зеркала 5, согласованного с первой 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, эмиттер которого соединен с токовым входом 1 устройства, а база подключена ко второму 8 источнику вспомогательного напряжения, предусмотрены новые связи - коллектор второго 7 входного транзистора соединен с токовым выходом 2 устройства, причем токовый выход 2 устройства согласован со второй 9 шиной источника питания.

Схема устройства-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 показана схема заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов при неодинаковых напряжениях вспомогательных источников 4 и 8.

На фиг.4 приведена осциллограмма входных (I(in2), I(Iin2)) и выходных (Iout) токов устройства фиг.3.

На фиг.5 приведена схема устройства фиг.3 для случая, когда напряжения вспомогательных источников 4 и 8 одинаковы, а токовое зеркало 5 реализовано на биполярных р-n-р транзисторах Q2, Q4.

На фиг.6 показана осциллограмма входных (I(in2), I(Iin2)) и выходных (Iout) сигналов устройства фиг.5.

На фиг.7 представлена схема заявляемого устройства фиг.2 для случая, когда токовое зеркало 5 выполнено на транзисторах Q4 и Q2, а напряжения вспомогательных источников 4 и 8 неодинаковы.

На фиг.8 приведена осциллограмма входных (I(in2), I(Iin2)) и выходных (Iout) сигналов устройства фиг.7.

Устройство для выделения модуля разности двух входных токов фиг.2 содержит токовый вход 1 и токовый выход 2, первый 3 входной транзистор, эмиттер которого соединен с токовым входом устройства 1, база подключена к первому 4 источнику вспомогательного напряжения, а коллектор соединен со входом токового зеркала 5, согласованного с первой 6 шиной источника питания, второй 7 входной транзистор, эмиттер которого соединен с токовым входом 1 устройства, а база подключена ко второму 8 источнику вспомогательного напряжения. Коллектор второго 7 входного транзистора соединен с токовым выходом 2 устройства, причем токовый выход 2 устройства согласован со второй 9 шиной источника питания. В цепь выхода 2 включается нагрузка устройства 10, например, следующий логический элемент.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, напряжения первого 4 и второго 8 источников вспомогательных напряжений незначительно отличаются друг от друга (фиг.3, фиг.7), а также могут принимать одинаковые значения (фиг.5), что сказывается на паразитных «всплесках» и «провалах» выходных токовых координат.

Рассмотрим работу предлагаемой схемы для выделения модуля разности двух входных токов фиг.2.

В отсутствие входного разностного тока на входе 1 (Bx.i) транзисторы 3 и 7 заперты потенциалами источников вспомогательных напряжений 4 и 8 соответственно. Выходные токи коллекторов этих транзисторов отсутствуют, выходной ток токового зеркала 5 также равен нулю. В результате этого на токовом выходе 2 ток также отсутствует.

При разных по величине и противоположных по направлению токах на токовом входе Bx.i (1) присутствует разностный ток. В зависимости от направления этого тока открывается либо транзистор 3, либо транзистор 7. При этом коллекторный ток транзистора 3 преобразуется токовым зеркалом 5 в «вытекающий» ток, который поступает на токовый выход 2. Аналогично, коллекторный ток транзистора 7 также поступает на токовый выход 2. Таким образом, на выходе схемы фиг.2 формируется ток, равный разности входных токов , по величине и вытекающим по направлению - независимо от направления разности этих входных токов.

Как видно из приведенного описания реализация модуля разности двух входных токов здесь производится формированием алгебраической суммы квантов тока и выделением определенных значений этой суммы токов. Все элементы приведенной схемы работают в режиме, предполагающем отсутствие насыщения в процессе переключений, что повышает общее быстродействие схемы. Кроме того, использование многозначного внутреннего представления сигналов повышает информативность линий связи, что уменьшает их количество. Использование стабильных значений входных квантов тока, а также определение выходного сигнала разностью этих токов обеспечивает малую зависимость параметров схемы от внешних дестабилизирующих факторов (изменение питающего напряжения, радиационное и температурное воздействия, синфазная помеха и др.).

Заявляемая схема может стать основой различных логических элементов, функционирующих в системе токовых преобразований, теория которых разработана в [9, 10].

Показанные на фиг.4, фиг.6, фиг.8 результаты моделирования подтверждают указанные свойства заявляемых схем.

Таким образом, рассмотренные схемотехнические решения устройства для выделения модуля разности двух входных токов, характеризующиеся многозначным состоянием внутренних сигналов и двоичным представлением сигнала на его токовом выходе, могут быть положены в основу вычислительных и управляющих устройств, использующих многозначную линейную алгебру, частным случаем которой является булева алгебра [9, 10].

Источники информации

1. Патент US № 7.791.414

2. Патент US № 6.624.701

3. Патент US № 4.446.443 fig.1

4. Патент US № 5.557.220 fig.3

5. Патент US № 5.140.282 fig.6

6. Патент US № 5.742.154 fig.1

7. Патент SU № 1739476

8. Maximum rating of Voltage Feedback and Current Feedback Operational Amplifiers in Linear and Nonlinear Modes / Prokopenko N.N., Budyakov A.S., Savchenko J.M., Korneev S.V. // Proceeding of the Third International Conference on Circuits and Systems for Communications - ICCSC'06 / - Politehnica University, Bucharest, Romania: July 6-7, 2006. - pp.149-154.

9. Чернов Н.И. Основы теории логического синтеза цифровых структур над полем вещественных чисел // Монография. - Таганрог: ТРТУ, 2001. - 147 с.

10. Чернов Н.И. Линейный синтез цифровых структур АСОИУ» // Учебное пособие Таганрог. - ТРТУ, 2004 г., 118 с.