[1]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).
[2]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 динамическими параметрами токовых зеркал. Именно этим объясняется большое число патентов, посвященных данному подклассу функциональных узлов [1-56].
[3]Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является токовое зеркало, описанное в патенте японской фирмы NEC Corporation, зарегистрированном в США №6300803 (фиг.5), содержащее входной транзистор 1, коллектор которого соединен со входом 2 токового зеркала и базой вспомогательного транзистора 3, база входного транзистора 1 связана с базой выходного транзистора 4, коллектор которого подключен к выходу 5 токового зеркала, причем эмиттер первого входного транзистора 1 соединен с коллектором вспомогательного транзистора 3 и эмиттером выходного транзистора 4.
[4]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 и повторителей напряжения с типовой архитектурой (см. патенты США 5512457; №6114908 фиг.1). Вследствие этого недостатка известного устройства напряжение смещения нуля аналоговых микросхем на его основе измеряется единицами милливольт.
[5]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 Кос.сф и коэффициента подавления помехи по питанию Кпп в операционных усилителях на его основе.
[6]Поставленная цель достигается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем входной транзистор 1, коллектор которого соединен со входом 2 токового зеркала и базой вспомогательного транзистора 3, база входного транзистора 1 связана с базой выходного транзистора 4, коллектор которого подключен к выходу 5 токового зеркала, причем эмиттер первого входного транзистора 1 соединен с коллектором вспомогательного транзистора 3 и эмиттером выходного транзистора 4, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 6 источник напряжения смещения, подключенный к объединенным базам входного 1 и выходного 4 транзисторов, эмиттер вспомогательного транзистора 3 связан с первой шиной источника питания 7, а объединенные эмиттеры входного 1 и выходного 4 транзисторов соединены со второй 8 шиной источника питания через первый дополнительный двухполюсник 9.
[7]Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на фиг.2. Здесь ко входу 2 подключен токовый источник сигнала 10, а к выходу 5 - нагрузка 11.
[8]На фиг.3 показана схема заявляемого токового зеркала, соответствующего п.2 формулы изобретения. Здесь эмиттер транзистора 3 соединен с первой шиной 7 источника питания через второй 12 источник напряжения смещения.
[9]На фиг.4 изображен вариант построения токового зеркала в соответствии с п.3 формулы изобретения. В этой схеме заявляемое устройство включено в структуру операционного усилителя, а второй 12 источник напряжения смещения реализован на буферном усилителе 13, содержащем транзистор 15 и двухполюсник 16. Вход 2 и выход 5 токового зеркала связаны с токовыми выходами 10 и 11 классического дифференциального каскада 17 на транзисторах 18, 19 и двухполюснике 20.
[10]На фиг.5а показана схема заявляемого (фиг.2) устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.5б - график зависимости его выходного тока от входного тока.
[11]На фиг.6 показана схема прецизионного повторителя малых входных напряжений с заявляемым токовым зеркалом (фиг.3) в среде PSpice, на базе которой выполнено измерение напряжения смещения нуля (здесь Uсм=16 мкВ).
[12]На фиг.7 показана схема прецизионного повторителя напряжения с заявляемым токовым зеркалом (фиг.4) в среде PSpice, на базе которой выполнено измерение напряжения смещения нуля (здесь Uсм=15 мкВ).
[13]На фиг.8 показана другая схема операционного усилителя с заявляемым токовым зеркалом фиг.4 в среде PSpice, на базе которой выполнено измерение напряжения смещения нуля (здесь Uсм=31 мкВ).
[14]Токовое зеркало фиг.2 содержит входной транзистор 1, коллектор которого соединен со входом 2 токового зеркала и базой вспомогательного транзистора 3, база входного транзистора 1 связана с базой выходного транзистора 4, коллектор которого подключен к выходу 5 токового зеркала, причем эмиттер первого входного транзистора 1 соединен с коллектором вспомогательного транзистора 3 и эмиттером выходного транзистора 4. В схему введен первый 6 источник напряжения смещения, подключенный к объединенным базам входного 1 и выходного 4 транзисторов, эмиттер вспомогательного транзистора 3 связан с первой шиной источника питания 7, а объединенные эмиттеры входного 1 и выходного 4 транзисторов соединены со второй 8 шиной источника питания через первый дополнительный двухполюсник 9.
[15]В соответствии с п.2 формулы изобретения (фиг.3) эмиттер вспомогательного транзистора 3 связан с первой 7 шиной источника питания через второй 12 источник напряжения смещения.
[16]В соответствии с п.3 формулы изобретения (фиг.4) в качестве второго 12 источника напряжения смещения используется дополнительный повторитель напряжения 13, вход которого соединен с выходом 5 токового зеркала, а выход 14 подключен к эмиттеру вспомогательного транзистора 3.
[17]Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.3.
[18]В статическом режиме токи в схеме взаимосвязаны друг с другом:
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]где Iкi, Iэi - коллекторные (эмиттерные) токи,
[26]αi≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера,
[27]Е6 - напряжение первого источника напряжения смещения.
[28]Таким образом, выходной ток в схеме фиг.3 пропорционален входному току:
[29]
[30]За счет выбора напряжения Е12 второго источника напряжения смещения 12 можно обеспечить равенство U2=Uвых. В этом случае внутренняя обратная связь в транзисторах 1 и 4 не влияет на коэффициент передачи по току (Кi12=Iвых/Iвх≈1), который становится более близким к единице. Это является дополнительным условием повышения точности заявляемого токового зеркала и, как следствие, улучшения его Uсм, Кос.сф, Кпп.
[31]Особенность схемы фиг.4 состоит в том, что здесь напряжение второго источника смещения 12 зависит от напряжения в узле 5 токового зеркала и изменяется синхронно с ним. В целом это обеспечивает повышение коэффициента усиления по напряжению (Ку), коэффициента ослабления синфазного сигнала (Кос.сф), коэффициента подавления помехи по питанию (Кпп).
[32]Моделирование схемы повторителя напряжения небольших уровней (uвх≤0,7 B), представленной на фиг.6, показывает, что благодаря повышению статической точности предлагаемого токового зеркала напряжение смещения нуля Uсм получается без каких-либо регулировок сравнительно малым (Uсм=16 мкВ).
[33]В других модификациях повторителя напряжения и ОУ (фиг.7, фиг.8) обеспечивается более широкий диапазон входного сигнала. Данные достоинства схем фиг.2 - фиг.8 позволяют создать прецизионные ОУ на базе одного каскада усиления.
[34]Как показывает эксперимент (фиг.6-фиг.8), напряжение смещения нуля ОУ на базе заявляемого токового зеркала уменьшается без каких-либо регулировок и подстроек резисторов более чем в 10 раз.
[35]Замечательная особенность токового зеркала фиг.4 состоит также в том, что при его использовании в операционных усилителях коэффициент усиления по напряжению (Ку) повышается. Это связано с эффектом взаимной компенсации влияния выходных проводимостей двухполюсников 15 и 16 на коэффициент усиления.
[36]За счет предлагаемого токового зеркала в ОУ на его основе также повышается коэффициент ослабления синфазных сигналов (Кос.сф) и коэффициент подавления помехи по питанию (Кпп). Этот эффект объясняется тем, что коэффициент передачи по току предлагаемых токовых зеркал более близок к единице, чем в известном устройстве. В целом это повышает Кос.сф и Кпп, уменьшает Uсм.
[37]Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде PSpice.
[38]Таким образом, заявляемое токовое зеркало характеризуется более высокими точностными параметрами, что положительно сказывается на ряде параметров операционных усилителей на его основе.
[39]Библиографический список
[40]1. Патент РФ №1329639.
[41]2. Патент США №3681623.
[42]3. Патент США №3813607.
[43]4. Патент США №3835410.
[44]5. Патент США №4008441 H03F 3/16.
[45]6. Патент США №4013973.
[46]7. Патент США №4030044 (фиг.3).
[47]8. Патент США №4057763.
[48]9. Патент США №4095189.
[49]10. Патент США №4117417.
[50]11. Патент США №4241315.
[51]12. Патент США №4345213.
[52]13. Патент США №4412186 H03F 3/04.
[53]14. Патент США №4462005 H03F 3/04.
[54]15. Патент США №4471236.
[55]16. Патент США №4473794.
[56]17. Патент США №4567444.
[57]18. Патент США №4591804 H03F 3/04.
[58]19. Патент США №4769619.
[59]20. Патент США №4855686.
[60]21. Патент США №4879524 H03F 3/26.
[61]22. Патент США №4897614.
[62]23. Патент США №4937515 G05F 3/26.
[63]24. Патент США №4990864.
[64]25. Патент США №5053718.
[65]26. Патент США №5079518 Н03К 3/16.
[66]27. Патент США №5164658.
[67]28. Патент США №5357188 G05F 3/26.
[68]29. Патент США №5373253.
[69]30. Патент США №5394079 G05F 3/16.
[70]31. Патент США №5399991.
[71]32. Патент США №5512815 G05F 3/16.
[72]33. Патент США №5572114.
[73]34. Патент США №5633612.
[74]35. Патент США №5721512.
[75]36. Патент США №5933055.
[76]37. Патент США №5969574.
[77]38. Патент США №5986507.
[78]39. Патент США №6016050.
[79]40. Патент США №6570438.
[80]41. Патент США №6573795.
[81]42. Патент США №6586918.
[82]43. Патент США №6606001.
[83]44. Патент США №6291977.
[84]45. Патент США №6300803.
[85]46. Патент США №6528981.
[86]47. Патент США №6630818.
[87]48. Патент США №6633198.
[88]49. Патент США №6639452.
[89]50. Патент США №6657481.
[90]51. Патент США №6677807.
[91]52. Патент США №6680605.
[92]53. Патент США №6816014.
[93]54. Патент РФ RU 2193273.
[94]55. Патентная заявка США 2004/081688.
[95]56. Патентная заявка США 2003/0030492.
