Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2474954

(19)

RU

(11)

2474954

(13)

C1

(51) МПК H03F3/45 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 07.02.2013 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011150788/08, 13.12.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

13.12.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 13.12.2011

(45) Опубликовано: 10.02.2013

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: US 4528496, 09.07.1985. EP 0346978 A1, 20.12.1989. EP 0497319 A1, 05.08.1992. US 6496049 B2, 17.12.2002. RU 2402150 C1, 20.10.2010.

Адрес для переписки:

346500, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко, 147, ЮРГУЭС, патентная служба

(72) Автор(ы):

Прокопенко Николай Николаевич (RU),

Серебряков Александр Игоревич (RU),

Будяков Петр Сергеевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

(54) ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является повышение точности передачи малых входных токов токового зеркала Вильсона при его реализации на p-n-p транзисторах с изоляцией p-n переходами на подложку. Токовое зеркало содержит первый (1) входной транзистор, коллектор которого связан со входом (2) устройства, базой первого (3) выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку (4) первого (1) входного транзистора, второй (5) выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого (1) входного и второго (5) выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку (6) второго (5) выходного транзистора, шину источника питания (7), связанную с эмиттером первого (1) входного и второго (5) выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку (8) первого (3) выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора и токовым выходом (9) устройства. Второй вывод закрытого p-n перехода на подложку (8) первого (3) выходного транзистора связан с коллектором второго (5) выходного транзистора. 10 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве функционального узла компенсации входных токов в различных устройствах усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), компараторах).

Основой большинства современных операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, компараторов являются так называемые «токовые зеркала» Вильсона [1-7]. В патентной литературе эти устройства с одним и тем же функциональным назначением присутствуют в классе H03F, а также классах G05F, H03K МПК. Качественные показатели многих аналоговых устройств определяются статическими и динамическими параметрами токовых зеркал.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является токовое зеркало Вильсона, описанное в патенте US 4.528.496, fig.3, Nationel Semiconduntor, содержащее первый 1 входной транзистор, коллектор которого связан со входом 2 устройства, базой первого 3 выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку 4 первого 1 входного транзистора, второй 5 выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку 6 второго 5 выходного транзистора, шину источника питания 7, связанную с эмиттером первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку 8 первого 3 выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и токовым выходом 9 устройства.

Существенный недостаток известного токового зеркала Вильсона состоит в том, что при его реализации на биполярных p-n-p транзисторах с изолирующими p-n переходами на подложку оно не обеспечивает высокую точность передачи на выход микроамперных значений входного тока при воздействии температуры и/или потока нейтронов. Вследствие данного недостатка известное устройство при малых входных токах (десятки микроампер) и работе в широком диапазоне температур и воздействии радиации практически теряет работоспособность и основные функции.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении точности передачи малых входных токов токового зеркала Вильсона при его реализации на p-n-p транзисторах с изоляцией p-n переходами на подложку.

Поставленная задача решается тем, что в токовом зеркале фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, коллектор которого связан со входом 2 устройства, базой первого 3 выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку 4 первого 1 входного транзистора, второй 5 выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку 6 второго 5 выходного транзистора, шину источника питания 7, связанную с эмиттером первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку 8 первого 3 выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и токовым выходом 9 устройства, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод закрытого p-n перехода на подложку 8 первого 3 выходного транзистора связан с коллектором второго 5 выходного транзистора.

Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на чертеже фиг.2.

На чертеже фиг.3а показана схема p-n-p транзистора компании Zarlink Semiconductor, а также эскиз его топологии, на котором буквой К 1 обозначен вывод от изолирующего кармана (фиг.3б).

На чертеже фиг.4 приведены схемы трех модификаций токового зеркала Вильсона фиг.1-фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (г.Москва):

- схема фиг.4а - не содержит изолирующих p-n переходов на подложку (идеальный случай);

- схема фиг.4б - классическое токовое зеркало Вильсона (прототип) с подключением p-n переходов на подложку к шине положительного источника питания;

- схема фиг.4в - предлагаемое токовое зеркало.

На чертеже фиг.5 показана практически линейная зависимость выходного тока токового зеркала фиг.4а (без изолирующих p-n переходов) от входного тока при разных значениях температуры (от -40 до 80°C).

На чертеже фиг.6 показана существенно нелинейная зависимость выходного тока токового зеркала-прототипа фиг.46 от его входного тока при разных значениях температуры (от -40 до 80°C).

На чертеже фиг.7 показана зависимость выходного тока предлагаемого токового зеркала фиг.4в (фиг.2) от входного тока при разных значениях температуры (от -40 до 80°C).

Токовое зеркало фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, коллектор которого связан со входом 2 устройства, базой первого 3 выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку 4 первого 1 входного транзистора, второй 5 выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку 6 второго 5 выходного транзистора, шину источника питания 7, связанную с эмиттером первого 1 входного и второго 5 выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку 8 первого 3 выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и токовым выходом 9 устройства. Второй вывод закрытого p-n перехода на подложку 8 первого 3 выходного транзистора связан с коллектором второго 5 выходного транзистора.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2 с учетом влияния изолирующих p-n переходов 4, 6, 8 на подложку.

Токи на подложку в схеме фиг.2 существенно сужают диапазон линейной работы токового зеркала, в пределах которого выходной ток пропорционален входному току (I вых I вх ). Действительно, для входного узла Bx.i

В активном режиме работы транзисторов 1, 3 выполняются соотношения:

где 3 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 3.

Таким образом:

1. Диапазон линейной работы предлагаемого токового зеркала Вильсона фиг.2 определяется численными значениями токов на подложку , , . Причем минимальный входной ток ТЗ не должен превышать значения

2. Приведенные к выходу токи и p-n переходов 4 и 6 взаимно компенсируют друг друга.

3. Выходной ток токового зеркала пропорционален входному току, если .

4. Если , 3 =1, то в предлагаемой схеме токового зеркала:

В известном устройстве фиг.2:

Следовательно, ток через p-n переход на подложку 8 в схеме фиг.1 и его температурная (радиационная) нестабильность вносят существенную погрешность в передачу входного тока.

Результаты сравнительного компьютерного моделирования токовых зеркал фиг.4, представленные на чертежах фиг.5-фиг.7, показывают, что предлагаемое токовое зеркало имеет более широкий диапазон входных токов, в пределах которого обеспечивается пропорциональность между входным и выходным токами.

Таким образом, предлагаемая схема токового зеркала имеет более широкий диапазон линейной работы и характеризуется более высокими точностными параметрами, что положительно сказывается на ряде параметров аналоговых микросхем на его основе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 4.528.496, fig.3

2. Патент US 4.317.082, fig.3

3. Патент US 6.677.807, fig.2

4. Патент US 6.268.769, fig.3

5. Патент US 5.512.815, fig.5A

6. Патент US 3.936.725

7. Патент Н3Т 1485092, fig.2

Формула изобретения

Токовое зеркало, содержащее первый (1) входной транзистор, коллектор которого связан со входом (2) устройства, базой первого (3) выходного транзистора и закрытым p-n переходом на подложку (4) первого (1) входного транзистора, второй (5) выходной транзистор, коллектор которого соединен с объединенными базами первого (1) входного и второго (5) выходного транзисторов, а также закрытым p-n переходом на подложку (6) второго (5) выходного транзистора, шину источника питания (7), связанную с эмиттером первого (1) входного и второго (5) выходного транзисторов, закрытый p-n переход на подложку (8) первого (3) выходного транзистора, первый вывод которого соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора и токовым выходом (9) устройства, отличающееся тем, что второй вывод закрытого p-n перехода на подложку (8) первого (3) выходного транзистора связан с коллектором второго (5) выходного транзистора.

РИСУНКИ