RU2422980C2

RU2422980C2 - Bipolar current mirror with controlled transfer ratio

Info

Publication number: RU2422980C2
Application number: RU2009132809/09A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Васильевич Коркин (RU); Вячеслав Васильевич Коркин
Original assignee: Вячеслав Васильевич Коркин
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-06-27
Also published as: RU2009132809A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: electronic adjustment of transfer ratios in current sources controlled by current on the basis of a current mirror is carried out through usage of control transistors in basis circuits of the current mirror transistors, and control transistors have a structure opposite to a structure of the current mirror transistors (2) and perform function of controlled voltage sources. The transfer ratio is controlled by a differential voltage supplied to bases of control transistors (5). Connection of transistors that form current current mirrors with input and output transistors, makes it possible to expand a dynamic range of a control signal.

EFFECT: expansion of frequency band.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может найти применение в устройствах импульсной, измерительной, усилительной техники и автоматики.The invention relates to electrical engineering and may find application in devices of pulsed, measuring, amplifying equipment and automation.

Наиболее распространенный способ электронной регулировки коэффициента передачи источника тока, управляемого током (ИТУТ) на базе токового зеркала, заключается в применении в эмиттерной или базовой цепях входных или/и выходных транзисторов управляемых источников напряжения.The most common way of electronically adjusting the coefficient of transfer of a current-controlled current source (IUT) based on a current mirror is to use controlled voltage sources in the emitter or base circuits of the input and / or output transistors.

Известно токовое зеркало (ТЗ) с регулируемым коэффициентом передачи [1], в котором регулирующие транзисторы, имеющие структуру, противоположную структуре входного и выходных транзисторов, вводятся в эмиттерные цепи входного и выходных транзисторов и работают как эмиттерные повторители регулирующих напряжений. Сигналом управления коэффициентом передачи по заданному выходу является дифференциальное напряжение, равное разности напряжений, приложенных к базам регулирующих транзисторов входной и заданной выходной цепи токового зеркала. Токовое зеркало с эмиттерным регулированием коэффициента передачи обладает высоким быстродействием на изменение управляющего напряжения благодаря каскадному включению выходного и регулирующего транзисторов.A current mirror (TK) with an adjustable transfer coefficient [1] is known, in which control transistors having a structure opposite to that of the input and output transistors are introduced into the emitter circuits of the input and output transistors and act as emitter followers of the control voltages. The control signal for the transmission coefficient for a given output is a differential voltage equal to the voltage difference applied to the bases of the control transistors of the input and given output circuit of the current mirror. The current mirror with emitter regulation of the transmission coefficient has a high speed for changing the control voltage due to the cascade connection of the output and control transistors.

Наиболее близким к предложенному является биполярное токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи [2], в котором регулирующие транзисторы, имеющие структуру, противоположную структуре входного и выходных транзисторов, вводятся в базовые цепи входного и выходных транзисторов и работают как эмиттерные повторители регулирующих напряжений. Дифференциальное напряжение, равное разности напряжений, приложенных к базам регулирующих транзисторов входного и заданного выходного каналов ТЗ, управляет коэффициентом передачи по заданному выходу. Токовое зеркало с базовым регулированием коэффициента передачи имеет более высокую крутизну регулировочной характеристики в сравнении с эмиттерным регулированием коэффициента передачи. Недостатком устройства данного типа являются низкие динамические качества. Низкое быстродействие устройства со стороны входов управления вызвано высоким выходным сопротивлением источников сигналов для входного и выходных транзисторов ТЗ, которыми являются регулировочные транзисторы. Выходные сопротивления регулировочных транзисторов вместе с входными емкостями транзисторов ТЗ образуют фильтры нижних частот с высокой постоянной времени, приводящие к спаду усиления на высоких частотах. Кроме того, регулировочные транзисторы работают при малых токах коллектора, в области спада коэффициента усиления транзистора.Closest to the proposed one is a bipolar current mirror with an adjustable transfer coefficient [2], in which control transistors having a structure opposite to that of the input and output transistors are introduced into the base circuits of the input and output transistors and operate as emitter followers of the regulating voltages. The differential voltage equal to the voltage difference applied to the bases of the regulating transistors of the input and specified output channels of the TK, controls the transmission coefficient for a given output. A current mirror with basic gear ratio control has a higher slope of the control characteristic than emitter gear ratio control. A disadvantage of this type of device is its low dynamic quality. The low speed of the device from the side of the control inputs is caused by the high output resistance of the signal sources for the input and output transistors TK, which are the regulation transistors. The output resistances of the regulating transistors together with the input capacitors of the transistors TK form low-pass filters with a high time constant, leading to a decrease in the gain at high frequencies. In addition, the control transistors operate at low collector currents, in the region of the decrease in the gain of the transistor.

Целью изобретения является расширение полосы частот для регулирующего сигнала в биполярном токовом зеркале с базовым регулированием коэффициентов передачи.The aim of the invention is to expand the frequency band for the control signal in a bipolar current mirror with basic regulation of the transmission coefficients.

Расширение полосы частот для регулирующего сигнала в биполярном токовом зеркале с регулируемым коэффициентом передачи, содержащим входной, усиливающий, один или несколько выходных транзисторов, имеющих одну структуру, при этом коллектор входного транзистора является входом, а коллекторы выходных транзисторов являются выходами токового зеркала, база усиливающего транзистора подключена к коллектору входного транзистора, к базам входного и выходных транзисторов подключены коллекторы регулирующих транзисторов, имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры регулирующих транзисторов соединены и подключены к эмиттеру усиливающего транзистора, на базы регулирующих транзисторов подаются регулирующие напряжения, цель достигается тем, что входной и каждый выходной транзистор образуется одним или несколькими параллельно включенными одинаковыми транзисторами, к базе входного и каждого выходного транзистора подключены база и коллектор токоприемного транзистора, имеющего структуру, одинаковую структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры входного, выходных и токоприемных транзисторов подключены к шине источника питания.The expansion of the frequency band for the control signal in a bipolar current mirror with an adjustable transmission coefficient containing an input, amplifying, one or more output transistors having the same structure, while the collector of the input transistor is an input, and the collectors of the output transistors are the outputs of the current mirror, the base of the amplifying transistor connected to the collector of the input transistor, collectors of control transistors having a structure prot In contrast to the structure of current mirror transistors, the emitters of the regulating transistors are connected and connected to the emitter of the amplifying transistor, the regulating voltages are applied to the bases of the regulating transistors, the goal is achieved by the fact that the input and each output transistor are formed by one or several identical transistors connected in parallel to the base of the input and each output transistor connected base and collector of a current-receiving transistor having a structure identical to the structure of current transistors ala, emitters of the input, and the current collector output transistor connected to the power supply bus.

Расширение полосы частот для регулирующего сигнала в биполярном токовом зеркале с регулируемым коэффициентом передачи, содержащем входной, усиливающий, один или несколько выходных транзисторов, имеющих одну структуру, при этом коллектор входного транзистора является входом, а коллекторы выходных транзисторов являются выходами токового зеркала, база усиливающего транзистора подключена к коллектору входного транзистора, к базам входного и выходных транзисторов подключены коллекторы регулирующих транзисторов, имеющих структуру, противоположную структуре транзисторов токового зеркала, эмиттеры регулирующих транзисторов соединены и подключены к эмиттеру усиливающего транзистора, на базы регулирующих транзисторов подаются регулирующие напряжения, цель достигается тем, что к базе входного и каждого выходного транзистора подключены база и коллектор токоприемного транзистора, имеющего структуру, одинаковую структуре транзисторов токового зеркала, к эмиттерам входного, выходного и токоприемных транзисторов подключены резисторы, другие выводы которых подсоединяются к шине источника питания.The expansion of the frequency band for the control signal in a bipolar current mirror with an adjustable transmission coefficient containing an input, amplifying, one or more output transistors having the same structure, while the collector of the input transistor is an input, and the collectors of the output transistors are the outputs of the current mirror, the base of the amplifying transistor connected to the collector of the input transistor, collectors of control transistors having a structure prot In contrast to the structure of current mirror transistors, the emitters of the regulating transistors are connected and connected to the emitter of the amplifying transistor, the regulating voltages are applied to the bases of the regulating transistors, the goal is achieved by connecting to the base of the input and each output transistor a base and collector of a current-receiving transistor having a structure identical to the structure of transistors a current mirror, resistors are connected to the emitters of the input, output, and current-receiving transistors, the other terminals of which are connected I have a power supply bus.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема токового зеркала (ТЗ) с регулируемым коэффициентом передачи на транзисторах n-p-n-структуры. Токовое зеркало содержит входную клемму 1, эмиттерный повторитель на усиливающем транзисторе 2, входной транзистор 3, клемму 4 регулирующего напряжения входной цепи, регулирующий транзистор 5 входной цепи, токоприемный транзистор 6 входного канала, выходные клеммы 7 и 12, выходные транзисторы 8, 13, клеммы 9 и 14 регулирующих напряжений выходных цепей, регулирующие транзисторы 10 и 15 выходных цепей, токоприемные транзисторы 11, 16 выходных каналов, шину 17 источника питания.Figure 1 presents a circuit diagram of a current mirror (TK) with an adjustable transfer coefficient on transistors of an n-p-n-structure. The current mirror contains an input terminal 1, an emitter follower on an amplifying transistor 2, an input transistor 3, an input circuit voltage regulating terminal 4, an input circuit regulating transistor 5, an input channel current transistor 6, output terminals 7 and 12, output transistors 8, 13, terminals 9 and 14 of the regulating voltage of the output circuits, regulating transistors 10 and 15 of the output circuits, current-receiving transistors 11, 16 of the output channels, bus 17 of the power source.

На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема токового зеркала с регулируемым коэффициентом передачи на транзисторах n-p-n-структуры. Токовое зеркало содержит входную клемму 1, эмиттерный повторитель на усиливающем транзисторе 2, входной транзистор 3, клемму 4 регулирующего напряжения входной цепи, регулирующий транзистор 5 входной цепи, токоприемный транзистор 6 входного транзистора, выходные клеммы 7 и 12, выходные транзисторы 8, 13, клеммы 9 и 14 регулирующих напряжений выходных цепей, регулирующие транзисторы 10 и 15 выходных цепей, токоприемные транзисторы 11, 16 выходных транзисторов, шину 17 источника питания, эмиттерные резисторы 18, 19, 20, 21, 22, 23.Figure 2 presents a circuit diagram of a current mirror with an adjustable transfer coefficient on transistors of an n-p-n-structure. The current mirror contains an input terminal 1, an emitter follower on an amplifying transistor 2, an input transistor 3, an input voltage regulating terminal 4, an input transistor 5, an input transistor 6, output terminals 7 and 12, output transistors 8, 13, terminals 9 and 14 of the regulating voltage of the output circuits, regulating transistors 10 and 15 of the output circuits, current-receiving transistors 11, 16 of the output transistors, bus 17 of the power supply, emitter resistors 18, 19, 20, 21, 22, 23.

Токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи представлено на чертежах транзисторами n-p-n-структуры. Оно содержит входной транзистор 3 и N выходных транзисторов 8,…,13. Входной ток I₀ отражается на произвольный n-й выход с коэффициентом передачи: k_n=I_n/I₀, где I_n - ток n-го выхода. Регулирующие транзисторы 5, 10,..15,.. p-n-р-структуры включены в базовые цепи транзисторов токового зеркала. Они исполняют роль регулируемых источников напряжений, работающих в режиме эмиттерных повторителей регулирующих напряжений, соответственно, входной и выходных цепей. Величина регулирующего напряжения для n-го выхода равна разности напряжений на базах регулирующих транзисторов ΔU_n=U₀-U_n. Токоприемные транзисторы в диодном включении 6, 11, 16 вместе с входным и выходными транзисторами образуют внутренние токовые зеркала. Подключение токоприемных транзисторов способствует рассасыванию неосновных носителей в базах входного и выходных транзисторов. Это способствует существенному уменьшению задержки реакции выходного тока I_n при импульсном изменении дифференциального напряжения ΔU_n, т.е. расширяет полосу частот регулирующего сигнала. Другим следствием подключения токоприемных транзисторов является увеличение токов коллекторов регулирующих транзисторов. С одной стороны, это способствует увеличению коэффициентов усиления регулирующих транзисторов, с другой стороны, увеличивает ответвление входного тока в регулирующие цепи, понижает точность отражения тока. Усиливающий транзистор 2, являющийся эмиттерным повторителем напряжения на коллекторе входного транзистора, ограничивает ответвление входного тока в цепи регулирования, усиливая ответвляемый ток. Величина тока ответвления зависит от коэффициентов передачи внутренних ТЗ g₀ - входного канала, g_n - n-го выходного канала. Установка коэффициентов передачи g₀,…,g_n может осуществляться изменением количества параллельно включенных входных и выходных транзисторов ТЗ или масштабированием транзисторов при интегральном исполнении (см. фиг.1). Другим средством установки коэффициентов передачи внутренних ТЗ является подключение эмиттерных резисторов (см. фиг.2). В этом случае коэффициенты передачи g₀,…,g_n определяются отношением сопротивлений эмиттерных резисторов рассматриваемого канала.A current mirror with an adjustable transmission coefficient is shown in the drawings by transistors of an npn structure. It contains an input transistor 3 and N output transistors 8, ..., 13. The input current I _{0 is} reflected on an arbitrary nth output with a transmission coefficient: k _n = I _n / I ₀ , where I _n is the current of the nth output. Regulating transistors 5, 10, .. 15, .. pn-p-structures are included in the base circuit of the current mirror transistors. They play the role of regulated voltage sources operating in the mode of emitter followers of regulatory voltages, respectively, of the input and output circuits. The value of the control voltage for the n-th output is equal to the voltage difference at the bases of the control transistors ΔU _n = U ₀ -U _n . The current-receiving transistors in the diode inclusion 6, 11, 16 together with the input and output transistors form internal current mirrors. The connection of current-receiving transistors facilitates the resorption of minority carriers in the bases of the input and output transistors. This contributes to a significant reduction in the reaction delay of the output current I _n with a pulse change in the differential voltage ΔU _n , i.e. expands the frequency band of the control signal. Another consequence of connecting current-receiving transistors is an increase in collector currents of regulating transistors. On the one hand, this contributes to an increase in the gain of the regulating transistors, on the other hand, it increases the branch of the input current into the regulating circuits, and reduces the accuracy of current reflection. The amplifying transistor 2, which is an emitter voltage follower on the input transistor collector, limits the input current branch in the control circuit, amplifying the branch current. The magnitude of the branch current depends on the transfer coefficients of the internal TK g ₀ - input channel, g _n - n-th output channel. Setting the transmission coefficients g ₀ , ..., g _n can be done by changing the number of input and output transistors TK connected in parallel or by scaling the transistors with integral design (see figure 1). Another means of setting the transfer coefficients of internal TK is to connect emitter resistors (see figure 2). In this case, the transmission coefficients g ₀ , ..., g _{n are} determined by the ratio of the resistances of the emitter resistors of the channel in question.

Зависимость коэффициента передачи тока n-го выхода от регулирующих напряжений для обеих схем определяется неявным выражением относительно коэффициента передачи k_n:The dependence of the current transfer coefficient of the n-th output on the control voltages for both circuits is determined by an implicit expression relative to the transmission coefficient k _n :

где φ_T - температурный потенциал; β - статический коэффициент передачи тока транзисторов токового зеркала; r_E - объемное сопротивление эмиттера транзисторов; r_B - объемное сопротивление базы транзисторов.where φ _T is the temperature potential; β is the static current transfer coefficient of the current mirror transistors; r _E is the volume resistance of the emitter of transistors; r _B is the volume resistance of the base of transistors.

Приведенное уравнение позволяет провести анализ, построить семейства передаточных характеристик k_n=f(I₀) при ΔU_n=const и регулировочных характеристик k_n=f(ΔU_n) при I₀=const биполярного токового зеркала с базовым регулированием коэффициента передачи.The above equation allows us to analyze, build a family of transfer characteristics k _n = f (I ₀ ) for ΔU _n = const and adjustment characteristics k _n = f (ΔU _n ) for I ₀ = const of a bipolar current mirror with basic regulation of the transmission coefficient.

Источники информацииInformation sources

1. Toumazou С., Lidgey F. J., Haigh D.G. Analogue IC Design: The Current-mode Approach. Eds. London: Peregrinus, pp.291-295, 1990.1. Toumazou S., Lidgey F. J., Haigh D.G. Analogue IC Design: The Current-mode Approach. Eds. London: Peregrinus, pp. 291-295, 1990.

2. JP 7-106867 A (OLYMPUS OPTICAL CO et al.), 21.04.1995.2. JP 7-106867 A (OLYMPUS OPTICAL CO et al.), 04/21/1995.

Claims

1. A current mirror with an adjustable transmission coefficient, comprising an input, amplifying, one or more output transistors having the same structure, the collector of the input transistor being an input, and the collectors of the output transistors being the outputs of the current mirror, the base of the amplifying transistor connected to the collector of the input transistor, collectors of regulating transistors having a structure opposite to the structure of current mirror transistors are connected to the bases of the input and output transistors, emitters control transistors are connected and connected to the emitter of the amplifying transistor, control voltages are applied to the base of the control transistors, characterized in that the input and each output transistor are formed by one or more identical transistors connected in parallel, the base and collector of the current-receiving transistor are connected to the base of the input and each output transistor, having a structure identical to the structure of current mirror transistors, emitters of input, output and current-receiving transistors chens to the power supply bus.

2. The current mirror according to claim 1, characterized in that emitter resistors are included in the input, output and current-receiving transistors.