FI93062C

FI93062C - A current mirror

Info

Publication number: FI93062C
Application number: FI925449A
Authority: FI
Inventors: Jarmo Loukusa; Kauko Varanka
Original assignee: Nokia Telecommunications Oy
Priority date: 1992-11-30
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 1995-02-10
Also published as: GB2288093B; EP0671075A1; FI925449A; FI93062B; FI925449A0; AU5564394A; WO1994013059A1; GB2288093A; SE9502019L; SE9502019D0; DE4396116T1; SE516351C2; GB9510896D0

Description

9306293062

VirtapeilisovitelmaA current mirror

Keksinnön kohteena on virtapeilisovitelma, joka on tarkoitettu signaalitiellä esiintyvän kaksisuuntaisen vir-5 ran monitorointia varten, joka virtapeilisovitelma käsittää ensimmäisen puolijohdekytkimen, joka käsittää ohjaus-elektrodin ja päävirtatie-elektrodit ohjauselektrodin virran ollessa sovitettu ohjaamaan päävirtatie-elektrodien kautta kulkevaa virtaa, resistanssin, joka on sovitettu 10 ohjauselektrodin ja signaalitien välille, resistanssin, joka on sovitettu erään päävirtatie-elektrodin ja signaalitien välille ja resistanssin, joka on sovitettu signaa-litielle.The invention relates to a current mirror arrangement for monitoring a bidirectional current in a signal path, the current mirror arrangement comprising a first semiconductor switch comprising a control electrode and the main current electrodes, the current of the control electrode being adapted to control the current flowing through the main current electrodes. 10 between the control electrode and the signal path, a resistance matched between a main current electrode and a signal path, and a resistance matched to the signal path.

Virtapeili on laite joka antaa tietyn lähtövirran 15 tulovirran funktiona. Virtapeilisovitelmaa voidaan käyttää kaikissa elektronisissa laitteissa joissa tarvitaan kaksisuuntaista virran peilausta. Virran peilausta tarvitaan esimerkiksi analogisten puhelinkeskusten merkinantojohtimien virtaa tutkittaessa. Virtapeiliä käyttämällä saa-20 daan tieto monitoroitavassa johtimesta kulkevasta virrasta siirretyksi esimerkiksi johonkin vastukseen, jonka yli esimerkiksi komparaattorilla tutkitaan onko kyseisellä johtimella esiintyvä virta suurempi kuin jokin raja-arvo.A current mirror is a device that provides a certain output current as a function of 15 input currents. The current mirror arrangement can be used in all electronic devices that require bidirectional current mirroring. Current mirroring is needed, for example, when examining the current of signaling wires in analog telephone exchanges. By using a current mirror, the information about the current flowing from the monitored conductor is transferred to a resistor, for example, over which, for example, a comparator is used to examine whether the current present on the conductor in question is greater than a limit value.

Tunnetun tekniikan mukaiset virtapeilisovitelmat . 25 ovat sellaisia jotka käyttävät kahta eri piiriä tai kyt kentää eri suuntaan kulkevien virtojen mittaukseen. Tunnetuissa virtapeileissä vaaditaan siis oma erillinen sovi-telma kunkin suuntaisen virran mittaukseen. Tunnetut ratkaisut ovat sellaisia, että ne käsittävät esimerkiksi 30 transistorin, jonka kannalta ja emitteriltä on vastukset .. mitattavalle johtimelle eli signaalitielle. Lisäksi sig naalitiellä on mittavastus ja transistorin kanta-emitte-rinliitoksen yli on kytketty diodi, jotta toisen suuntainen virta ei aiheuttaisi ylijännitettä ko. liitokseen.Prior art current mirror arrangements. 25 are those that use two different circuits or circuits to measure currents flowing in different directions. Thus, known current mirrors require their own separate arrangement for measuring the current in each direction. The known solutions are such that they comprise, for example, 30 transistors, from the point of view of which and from the emitter there are resistors .. for the conductor to be measured, i.e. the signal path. In addition, the signal path has a measuring resistor and a diode is connected across the base-emitter connection of the transistor so that the current in the other direction does not cause an overvoltage. joint.

35 Toinen vaihtoehtoinen ratkaisu on laaja vastuksilla tot- 2 93062 eutettu jännitejako, johon on kytketty esimerkiksi komparaattori .35 Another alternative solution is a wide voltage distribution with resistors 2 93062, to which, for example, a comparator is connected.

Tunnetut ratkaisut sisältävät useita ongelmia, sillä niillä ei ole mahdollista samalla virtapeilisovitelmal-5 la mitata eri suuntaisia virtoja signaalitiellä, eli esimerkiksi merkinantojohtimella.The known solutions contain several problems, since it is not possible for them to measure currents in different directions on the signal path, i.e. for example on a signal line, with the same current mirror arrangement.

Tämän keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uuden-tyyppinen virtapeilisovitelma, joka välttää tunnettuihin ratkaisuihin liittyvät ongelmat.It is an object of the present invention to provide a new type of current mirror arrangement which avoids the problems associated with known solutions.

10 Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella virtapeilisovitelmalla, jolle on tunnusomaista, että virtapeilisovitelma edelleen käsittää sinänsä tunnetun toisen puolijohdekytkimen, joka käsittää ohjauselektrodin ja päävirtatie-elektrodit, että toisen puolijohdekytkimen 15 ohjauselektrodi on kytketty ensimmäisen puoli johdekytkimen siihen erääseen päävirtatie-elektrodiin, joka on kytketty resistanssin kautta signaalitielle, että toisen puolijohdekytkimen eräs päävirtatie-elektrodi on kytketty ensimmäisen puolijohdekytkimen ohjauselektrodiin ja resis-20 tanssin kautta signaalitielle, ja että kummankin puolijoh-dekytkimen eräät muut päävirtatie-elektrodit on kytketty yhteen.This object is achieved by a current mirror arrangement according to the invention, characterized in that the current mirror arrangement further comprises a second semiconductor switch known per se comprising a control electrode and main current electrodes, that the control electrode of the second semiconductor switch 15 is connected to a to the signal path, that one main current electrode of the second semiconductor switch is connected to the control electrode of the first semiconductor switch and through a resist-dance to the signal path, and that some other main current electrodes of each semiconductor switch are connected together.

Keksinnön mukainen virtapeilisovitelma perustuu siihen ajatukseen, että toisen puolijohdekytkimen sopival- .. 25 la kytkennällä voidaan aikaansaada ns. bipolaarinen vir- > · « tapeili.The current mirror arrangement according to the invention is based on the idea that a suitable connection of the second semiconductor switch can provide a so-called bipolar vir-> · «mirror.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla saavutetaan useita etuja, koska keksinnönmukainen sovitelma pystyy bipolaari-seen mittaukseen eli sillä voidaan mitata virta sen suun-30 nasta riippumatta. Uudessa sovitelmassa ei myöskään tar- vita suojadiodeja.The solution according to the invention achieves several advantages, because the arrangement according to the invention is capable of bipolar measurement, i.e. it can measure current regardless of its direction. The new arrangement also does not require protection diodes.

• ·• ·

Keksintöä selitetään seuraavassa lähemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää keksinnön mukaista virtapeiliso-35 vitelmaa.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing, in which Figure 1 shows a current mirror arrangement according to the invention.

IIII

93062 393062 3

Kuvion 1 mukaisesti virtapeilisovitelma on sovitettu monitoroitavan signaalitien 1 yhteyteen. Signaalitie voi olla esimerkiksi DC-merkinantojohdin analogisessa puhelinkeskuksessa. Signaalitiellä 1 esiintyvän kaksisuun-5 täisen virran Ιχ monitorointia varten virtapeilisovitelma käsittää ensimmäisen puolijohdekytkimen 2, joka käsittää ohjauselektrodin 3 ja päävirtatie-elektrodit 4 ja 5. Edullisesti kyse on NPN- puolijohdetransistorista, kuten kuvioissa, tai PNP- puolijohdetransistorista. Ohjaus-10 elektrodi 3 tarkoittaa kantaa B, ja päävirtatien elektrodit 4 ja 5 tarkoittavat emitteriä E ja kollektoria C. Kuten transistorille on ominaista, niin ohjauselektrodin 3 virralla ohjataan päävirtatie-elektrodien 4 ja 5 kautta kulkevaa virtaa eli kuviossa mittavirtaa IB, joka tulee 15 olemaan funktio signaalitien 1 virrasta Ιχ. Sovitelma edelleen käsittää resistanssin Rl, joka on sovitettu ensimmäisen transistorin eli puolijohdekytkimen 2 ohjauselektrodin 3 ja signaalitien 1 välille. Edelleen sovitelma käsittää resistanssin R3, joka on sovitettu erään päävirtatie-elek-20 trodin eli emitterin 4 ja signaalitien 1 välille ja lisäksi sovitelma käsittää resistanssin R2, eli mittavastuksen, joka on sovitettu signaalitielle 1.According to Figure 1, the current mirror arrangement is adapted to the signal path 1 to be monitored. The signal path can be, for example, a DC signal line in an analog telephone exchange. For monitoring the bidirectional current Ιχ in the signal path 1, the current mirror arrangement comprises a first semiconductor switch 2 comprising a control electrode 3 and main current electrodes 4 and 5. Preferably, it is an NPN semiconductor transistor, as in the figures, or a PNP semiconductor transistor. The control electrode 3 denotes the base B, and the main current electrodes 4 and 5 denote the emitter E and the collector C. As is characteristic of the transistor, the current flowing through the main current electrodes 4 and 5 is controlled by the current of the control electrode 3, i.e. the measuring current IB in the figure. function of signal path 1 current Ιχ. The arrangement further comprises a resistance R1 arranged between the control electrode 3 of the first transistor, i.e. the semiconductor switch 2, and the signal path 1. The arrangement further comprises a resistance R3 arranged between a main current path electrode, i.e. the emitter 4, and the signal path 1, and further the arrangement comprises a resistance R2, i.e. a measuring resistor, arranged on the signal path 1.

Virtapeilisovitelma edelleen käsittää sinänsä tunnetun toisen puolijohdekytkimen 6, joka sekin on edulli-25 sesti transistori kuten ensimmäinenkin puolijohdekytkin 2. Toinen puolijohdekytkin eli transistori luonnollisesti käsittää ohjauselektrodin 7 eli kannan B ja päävirtatie-elektrodit 8 ja 9 eli emitterin E ja kollektorin C. Edelleen keksinnön mukaisesti toisen puolijohdekytkimen 6 oh-30 jauselektrodi 7 on kytketty ensimmäisen puolijohdekytkimen ·; 2 siihen erääseen päävirtatie-elektrodiin 4, eli emitte- rille, joka on kytketty resistanssin R3 kautta signaali-tielle 1. Edelleen, toisen puolijohdekytkimen 6 eräs pää-virtatie-elektrodi eli emitteri 8 on kytketty ensimmäisen 35 puolijohdekytkimen 2 ohjauselektrodiin 3 eli kannalle B ja 93062 4 resistanssin Rl kautta signaalitielle. Lisäksi kummankin puolijohdekytkimen 2 ja 6 eräät muut päävirtatie-elektro-dit 5 ja 9 eli käyttännössä kollektorit C on kytketty yhteen.The current mirror arrangement further comprises a second semiconductor switch 6 known per se, which is also preferably a transistor like the first semiconductor switch 2. The second semiconductor switch or transistor naturally comprises a control electrode 7 i.e. base B and main current electrodes 8 and 9 i.e. emitter E and collector C. the ohm-30 distribution electrode 7 of the second semiconductor switch 6 is connected to the first semiconductor switch ·; 2 to a main current electrode 4, i.e. an emitter connected via a resistor R3 to a signal path 1. Further, a main current electrode or emitter 8 of the second semiconductor switch 6 is connected to the control electrode 3 of the first semiconductor switch 2, i.e. to the base B and 93062 4 through the resistance R1 to the signal path. In addition, some other main current electrodes 5 and 9 of each semiconductor switch 2 and 6, i.e. in practice collectors C, are connected together.

5 Resistanssin R2 eli mittavastuksen tarkoitus on muodostaa jännite-ero vastuksen yli, jolla aikaansaadaan virta jommalle kummalle transistorille 2 tai 6 riippuen signaalitiellä olevan virran Ιχ suunnasta. Aluksi tarkastellaan tilannetta, jossa virran Ιχ suunta on pisteestä a 10 pisteeseen b eli vasemmalta oikealle. Tällöin virta Ιχ aiheuttaa R2:een jännitehäviön, josta seuraa jännite-ero a:n ja b:n välille eli a tulee positiivisemmaksi. Kun mittavastuksen R2 jännite U(R2) ylittää transistorin 2 kan-ta-emitteri -jännitteen, niin silloin pisteestä a resis-15 tanssin Rl:n kautta saadaan ohjausjännite/virta ensimmäisen transistorin eli puolijohdekytkimen 2 kannalle B eli ohjauselektrodille 3. Ohjausvirta menee transistorin 2 kanta-emitteri -liitoksen kautta R3:lle ja edelleen pisteeseen b. Toinen transistori 6 on estosuuntaan biasoitu. 20 Transistorien kollektorit on kytketty yhteen kol- lektorilinjassa eli mittavirtalinjassa J. Mittavirtalin-jassa on vastus R4 ja jännitelähteestä U(s) (source) saadaan mittavirtaa Ie, kun transistorin 2 kytkintoiminto toimii saadessaan ohjauselektrodilleen eli kannalleen B oh-·;· 25 jauksen. Mittavirtalinjassa J eli kollektorilinjassa tulee menemään sellainen virta, joka aikaansaa tasapainotilan. Resistanssien R2 ja R3 suhde tulee määräämään virransiir-tokertoimen virtojen Ιχ ja I välillä. Jännite U(s) on suurempi kuin signaalitien jännite U(x) , kun on kyse NPN-30 transistoreista. Tilanne on päinvastainen PNP-transisto-II reillä.The purpose of the resistor R2, i.e. the measuring resistor, is to form a voltage difference across the resistor, which provides a current to one of the two transistors 2 or 6, depending on the direction of the current Ιχ in the signal path. Let us first consider a situation in which the direction of the current Ιχ is from point a 10 to point b, i.e. from left to right. Then the current Ιχ causes a voltage drop in R2, which results in a voltage difference between a and b, i.e. a becomes more positive. When the voltage U (R2) of the measuring resistor R2 exceeds the base-emitter voltage of the transistor 2, then from point a the control voltage / current is obtained via the resis-15 dance R1 to the base B of the first transistor, i.e. the semiconductor switch 2, i.e. the control electrode 3. The control current goes to the transistor 2 through the base-emitter junction to R3 and further to point b. The second transistor 6 is biased in the blocking direction. The collectors of the transistors are connected together in a collector line or measuring current line J. The measuring current line has a resistor R4 and a measuring current Ie is obtained from the voltage source U (s) when the switching function of transistor 2 operates when it receives a control for its control electrode, i.e. base B. In the measuring current line J, i.e. in the collector line, a current will flow that creates an equilibrium state. The ratio of the resistances R2 and R3 will determine the current transfer coefficient between the currents Ιχ and I. The voltage U (s) is higher than the signal path voltage U (x) for NPN-30 transistors. The situation is the opposite on the PNP transistor II.

Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa tilanne on sellainen, että signaalitielle 1 sovitettu resistanssi R2 ja toisen puolijohdekytkimen 6 päävirtatie-elektrodin 8 35 eli emitterin E signaalitielle 1 kytkevä resistanssi Rl on ♦ l! 93062 5 mitoitettu siten, että ne on sovitettu ensimmäisen puoli-johdekytkimen 2 ohjauselektrodin 3 avulla kytkemään puo-1ijohdekytkimi11e 2 ja 6 yhteisessä mittavirtalinjassa J eli kollektorilinjassa esiintyvän virran 1^ läpi ensim-5 mäisen puolijohdekytkimen 2 päävirtaelektrodien 4 ja 5.In a preferred embodiment of the invention, the situation is such that the resistance R2 applied to the signal path 1 and the resistance R1 connecting the main current path electrode 8 35 of the second semiconductor switch 6, i.e. the emitter E, to the signal path 1 is ♦ 1! 93062 5 dimensioned so as to be adapted by means of the control electrode 3 of the first semiconductor switch 2 to connect the semiconductor switches 11e 2 and 6 through a current 1 in the common measuring current line, i.e. the collector line, to the main current electrodes 4 and 5 of the first semiconductor switch 2

Jos virta signaalilinjassa 1 on toisinpäin, jolloin b on positiivisempi, niin transistori 6 saa ohjausvirran pisteestä b R3:n kautta ohjauselektrodilleen 7 eli kannalleen B, jolloin kollektorilinja eli mittavirtalinja J 10 kytkeytyy. Tässä edullisessa toteutusmuodossa puolijoh-dekytkimien eli transistorien 2 ja 6 päävirtaelektrodit 5 ja 9 eli nyt kollektorit C on kytketty yhteen mittavirtalinjassa J, jolloin signaalitielle 1 sovitettu resistanssi R2 ja ensimmäisen puolijohdekytkimen 2 päävirtatie-15 elektrodin 4 eli emitterin E signaalitielle 1 kytkevä resistanssi R3 on mitoitettu siten, että ne on sovitettu toisen puolijohdekytkimen 6 ohjauselektrodin 7 avulla kytkemään mittavirtalinjassa J esiintyvän virran Im läpi toisen puolijohdekytkimen päävirtaelektrodien 8 ja 9.If the current in the signal line 1 is reversed, where b is more positive, then the transistor 6 receives a control current from the point b via R3 to its control electrode 7, i.e. to its base B, whereby the collector line, i.e. the measuring current line J 10, is connected. In this preferred embodiment, the main current electrodes 5 and 9 of the semiconductor switches or transistors 2 and 6, i.e. now the collectors C, are connected together in the measuring current line J, the resistance R2 applied to the signal path 1 and the resistance R3 of the first semiconductor switch 2 so as to be arranged by means of the control electrode 7 of the second semiconductor switch 6 to switch the current Im present in the measuring current line J through the main current electrodes 8 and 9 of the second semiconductor switch.

20 Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa puolijohde- kytkimet 2 ja 6 ovat olennaisesti toisiaan vastaavia ja puolijohdekytkimien 2 ja 6 päävirta-elektrodit 4 ja 8 signaalitielle 1 kytkevien resistanssien Rl ja R3 suuruudet ovat olennaisesti samaa suuruusluokkaa. Kyseinen toteu-25 tusmuoto yksinkertaistaa kytkentää.In a preferred embodiment of the invention, the semiconductor switches 2 and 6 are substantially similar to each other and the magnitudes of the resistances R1 and R3 connecting the main current electrodes 4 and 8 of the semiconductor switches 2 and 8 to the signal path 1 are of substantially the same order of magnitude. This embodiment simplifies the connection.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa on olennaista,että signaalitiellä 1 eli esimerkiksi merkinantopiirissä voidaan samalla virralla 1^ ilmaista kumpaan suuntaan tahansa kulkeva virta Ιχ. Toiminnan kannalta keskeistä on se, e- 30 ttä mittavastuksessa R2 kulkeva virta aikaansaa jännitehä viön vastusten Rl ja R3 välillä. Virran Ιχ suunnasta riippuen mittavastuksen R2 jännite U(R2) ylittää jomman kumman transistorin kanta-emitteri -jännitteen, jolloin kollekto-rilinjan mittavirta Ie kulkee kyseisen transistorin kaut-35 ta.In the solution according to the invention, it is essential that the signal path 1, i.e. for example in the signaling circuit, can be used to express the current Ιχ flowing in either direction with the same current 1 ^. Central to the operation is that the current flowing through the measuring resistor R2 causes a voltage drop between the resistors R1 and R3. Depending on the direction of the current Ιχ, the voltage U (R2) of the measuring resistor R2 exceeds the base-emitter voltage of one of the two transistors, whereby the measuring current Ie of the collector line passes through that transistor.

93062 693062 6

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisen piirustuksen mukaisiin esimerkkeihin, on selvää ettei keksintö ole rajoittunut niihin, vaan sitä voidaan monin tavoin muunnella oheisten patenttivaatimusten esit-5 tämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.Although the invention has been described above with reference to the examples according to the accompanying drawing, it is clear that the invention is not limited thereto, but can be modified in many ways within the scope of this inventive idea of the appended claims.

' · «1 ♦ • · ♦'· «1 ♦ • · ♦

Claims

93062 7

A current mirror arrangement for monitoring a bidirectional current on a signal path (1), the current mirror arrangement comprising - a first semiconductor switch (2) comprising a control electrode (3) and main current electrodes (4,5). - the current of the distribution electrode (3) is adapted to control the current (Ie) flowing through the main current path electrodes (4,5), the 10th resistance (R1) arranged between the control electrode (3) and the signal path (1) - the resistance (R3) ) arranged between a main current path electrode (4) and a signal path (1) - a resistance (R2) arranged on the signal path (1) 15, characterized in that the current mirror arrangement further comprises a second semiconductor switch (6) known per se, comprising oh the distribution electrode (7) and the main current electrodes (8,9), that the control electrode (7) of the second semiconductor switch (6) is connected to the main current electrode of the first semiconductor switch (2) in (4) connected via a resistor (R3) to the signal path (1) that one main current electrode (8) of the second semiconductor switch (6) is connected to the control electrode (3) of the first semiconductor switch 25 (2) and via a resistor (R1) and that some of the other main current electrodes (5, 9) of each semiconductor switch (2,6) are connected together.

Current mirror door system according to claim 1, characterized in that said other main current electrodes (5, 9) of the semiconductor switches (2,6) are connected together in the measuring current line (J), and in that the resistance (R2) applied to the signal path (1) and the coupling resistance (R3) of one of the main current electrodes (4) of the first semiconductor switch (2) to the signal path 35 (1) is dimensioned so as to be connected to the measuring current line (J) via the control electrode (7) of the second semiconductor switch (6). ) through the current (1 ^) through the main current electrodes (8,9) of the second semiconductor switch (6).

Current mirror arrangement according to Claim 2, characterized in that the resistance (R2) arranged on the signal path (1) and the resistance (R1) coupling to the signal path (1) of the main current electrode (8) of the second semiconductor switch (6) are dimensioned so as to be adapted 10 via the control electrode (3) of the first semiconductor switch (2) to connect to the semiconductor switches (2,6) a current (Im) occurring in a common measuring current line (J) through the main current electrodes (4,5) of the first semiconductor switch (2).

Current mirror arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (2,6) are substantially identical to one another and that some of the main current electrodes (4,8) of the semiconductor switches (2,6) are connected to the signal path (1). The magnitudes of 20 (R3, R1) are of substantially the same order of magnitude. • · · m t 9 · »9« 9 ^ 3062