SE516351C2

SE516351C2 - A current mirror arrangement

Info

Publication number: SE516351C2
Application number: SE9502019A
Authority: SE
Inventors: Jarmo Loukusa; Kauko Varanka
Original assignee: Nokia Telecommunications Oy
Priority date: 1992-11-30
Filing date: 1995-06-01
Publication date: 2001-12-17
Also published as: FI93062C; GB9510896D0; SE9502019L; GB2288093B; GB2288093A; DE4396116T1; FI925449A; SE9502019D0; AU5564394A; FI93062B; WO1994013059A1; FI925449A0; EP0671075A1

Abstract

The invention relates to a current mirror arrangement for monitoring a bidirectional current in a signal path. The arrangement comprises a first semiconductor switch (2) with a control electrode (3) and main current path electrodes (4, 5). The arrangement further comprises a resistor (R1) arranged between the control electrode (3) and the signal path (1), a resistor (R3) arranged between a main current path electrode (4) and the signal path (1), and a resistor (R2) arranged in the signal path (1). The current mirror arrangement further comprises a second semiconductor switch (6) which comprises a control electrode (7) and main current path electrodes (8, 9) connected to the first semiconductor switch (2) in the signal path (1) to implement a bipolar current mirror function irrespective of the direction of the current (1x) in the signal path (1). <IMAGE>

Description

mun: 10 15 20 25 30 35 516 351 2 vidsträckt spänningsfördelning, som verkställs med mot- stånd och till vilken är kopplad till exempel en kompa- rator. mouth: 10 15 20 25 30 35 516 351 2 extensive voltage distribution, which is executed with resistance and to which is connected, for example, a comparator.

De kända lösningarna har många nackdelar, ef- tersom de inte möjliggör en mätning av strömmar som gàr i olika riktningar med samma strömspegelanordning på en signalbana, såsom i en signalledare.The known solutions have many disadvantages, since they do not enable a measurement of currents going in different directions with the same current mirror device on a signal path, such as in a signal conductor.

Avsikten med uppfinningen är att åstadkomma en strömspegelanordning av en ny typ, medelst vilken de problem kan undvikas som förekommer i de kända lösning- arna.The object of the invention is to provide a current mirror device of a new type, by means of which the problems which occur in the known solutions can be avoided.

Detta uppnàs med en strömspegelanordning enligt uppfinningen, som är kännetecknad av, att anordningen vidare uppvisar en i och för sig känd andra halvledar- kopplare med en styrelektrod och huvudströmvägselektro- der, att styrelektroden i den andra halvledarkopplaren är kopplad till den huvudströmvägselektrod i den första halvledarkopplaren som är kopplad via motståndet till signalbanan, att en huvudströmvägselektrod i den andra halvledarkopplaren är kopplad till styrelektroden i den första halvledarkopplaren och via motståndet till sig- nalbanan och att vissa andra huvudströmvägselektroder i vardera halvledarkopplaren är sammankopplade.This is achieved with a current mirror device according to the invention, which is characterized in that the device further has a second semiconductor coupler known per se with a control electrode and main current electrodes, that the control electrode in the second semiconductor coupler is connected to the main current path electrode in the first semiconductor coupler. which is connected via the resistor to the signal path, that a main current path electrode in the second semiconductor coupler is connected to the control electrode in the first semiconductor coupler and via the resistor to the signal path and that certain other main current path electrodes in each semiconductor coupler are connected.

Strömspegelanordningen enligt uppfinningen baserar sig pá idén att en så-kallad dubbelriktad ström- spegel kan åstadkommas genom en lämplig koppling av den andra halvledarkopplaren.The current mirror device according to the invention is based on the idea that a so-called bidirectional current mirror can be produced by a suitable connection of the second semiconductor coupler.

Lösningen enligt föreliggande uppfinning har ett flertal fördelar, då anordningen enligt uppfinningen är kapabel till dubbelriktad mätning, dvs. kan mäta en ström oberoende av dess riktning. Dessutom fordrar den nya anordningen inga skyddsdioder.The solution according to the present invention has a number of advantages, as the device according to the invention is capable of bidirectional measurement, i.e. can measure a current regardless of its direction. In addition, the new device does not require protective diodes.

I det följande skall uppfinningen beskrivas utförligare med hänvisning till bifogade ritning, i vilken 10 15 20 25 30 35 516 351 3 figur 1 visar en strömspegelanordning enligt uppfinningen.In the following, the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawing, in which figure 1 shows a current mirror device according to the invention.

I det fall som visas i figur l är en strömspe- gelanordning placerad i anslutning till en övervakad signalbana 1. Signalbanan kan till exempel vara en lik- strömssignalledare i en analog telefonväxel. För över- vakning av en dubbelriktad ström I, på signalbanan l uppvisarströmspegelanordningeneu:förstahalvledarkopp- lare 2 med en styrelektrod 3 och huvudströmvägselektro- der 4 och 5. Kopplaren är företrädesvis en NPN-halvle- dartransistor, såsom i figuren, eller en PNP-halvledar- transistor. Styrelektroden 3 hänför sig till en bas B och huvudströmvägselektroderna 4 och 5 hänför sig till en emitter E och en kollektor C. Såsom är kännetecknande för transistorer, styr strömmen i styrelektroden 3 den ström som passerar genom huvudströmvägselektroderna 4 och 5, dvs. mätströmmen Imi.figuren, som är en funktion av strömmen I, på signalbanan. Anordningen uppvisar yt- terligare ett motstånd Rl kopplat mellan styrelektroden 3 i den första transistorn, dvs. halvledarkopplaren 2, och signalbanan 1. Dessutom uppvisar anordningen ett motstånd R3 kopplat mellan en huvudströmvägselektrod, dvs. emitter 4, och signalbanan 1, och ett motstånd R2, dvs. mätmotstànd, kopplat till signalbanan 1.In the case shown in Figure 1, a current mirror device is placed in connection with a monitored signal path 1. The signal path can be, for example, a direct current signal conductor in an analog telephone exchange. For monitoring a bidirectional current I, on the signal path 1, the current mirror device neu shows: first semiconductor coupler 2 with a control electrode 3 and main current path electrodes 4 and 5. The coupler is preferably an NPN semiconductor transistor, as in the figure, or a PNP semiconductor. - transistor. The control electrode 3 refers to a base B and the main current path electrodes 4 and 5 refer to an emitter E and a collector C. As is characteristic of transistors, the current in the control electrode 3 controls the current passing through the main current path electrodes 4 and 5, i.e. the measuring current Imi.figure, which is a function of the current I, on the signal path. The device further has a resistor R1 connected between the control electrode 3 in the first transistor, i.e. the semiconductor coupler 2, and the signal path 1. In addition, the device has a resistor R3 connected between a main current path electrode, i.e. emitter 4, and the signal path 1, and a resistor R2, i.e. measuring resistor, connected to the signal path 1.

Strömspegelanordningen uppvisar vidare en andra halvledarkopplare 6, som är i och för sig känd och före- trädesvis en transistor, såsom den första halvledarkopp- laren 2. Den andra halvledarkopplaren eller transistorn uppvisar givetvis en styrelektrod 7, dvs. en bas B, och huvudströmvägselektroder 8 och 9, dvs. en emitter E och en kollektor C. Enligt uppfinningen är styrelektroden 7 i den andra halvledarkopplaren 6 kopplad till den huvudströmvägselektrod 4, dvs. emitter, i den första halvledarkopplaren 2 som är kopplad via ett motstånd R3 till signalbanan l. Vidare är en huvudströmvägselektrod, luøon 10 15 20 25 30 35 516 351 4 dvs. emitter 8, i den andra halvledarkopplaren 6 kopplad till styrelektroden 3, dvs. basen B, i den första halv- ledarkopplaren 2, och via motståndet Rl till signalba- nan. Dessutom är vissa andra huvudströmvägselektroder 5 och 9, dvs. i praktiken kollektorer C, i vardera halv- ledarkopplaren 2 och 6 sammankopplade.The current mirror device further has a second semiconductor coupler 6, which is known per se and preferably a transistor, such as the first semiconductor coupler 2. The second semiconductor coupler or transistor of course has a control electrode 7, i.e. a base B, and main current path electrodes 8 and 9, i.e. an emitter E and a collector C. According to the invention, the control electrode 7 in the second semiconductor coupler 6 is connected to the main current path electrode 4, i.e. emitter, in the first semiconductor coupler 2 which is connected via a resistor R3 to the signal path 1. Furthermore, a main current path electrode, luøon 10 15 20 25 30 35 516 351 4 ie. emitter 8, in the second semiconductor coupler 6 connected to the control electrode 3, i.e. base B, in the first semiconductor coupler 2, and via the resistor R1 to the signal path. In addition, some other main current path electrodes 5 and 9, i.e. in practice collectors C, in each semiconductor coupler 2 and 6 interconnected.

Avsikten med motståndet R2, dvs. mätmotståndet, är att åstadkomma en spänningsskillnad över motståndet, med vilken spänningsskillnad alstras en ström för någon- dera transistorn 2 och 6, beroende på strömmens I, rikt- ning på signalbanan. Låt oss först undersöka ett fall i vilket strömmen I, går i riktning från punkt (a) till punkt (b), dvs. från vänster till höger. I detta fall förorsakar strömmen I: ett spänningsfall i R2, vilket leder till en spänningsskillnad mellan (a) och (b), dvs. (a) blir positivare. Då spänningen U(R2) i mätmotståndet R2 överstiger bas-emitter-spänningen i transistorn 2, alstras en styrspänning/ström från punkt (a) över mot- ståndet Rl hos basen B, dvs. styrelektroden 3, i den första transistorn, dvs. halvledarkopplaren 2. Styr- strömmen passerar genom transistorns 2 bas-emitter-över- gàng till R3 och vidare till punkt (b). Den andra tran- sistorn 6 förspänns i motsatt riktning.The intention of the resistor R2, i.e. the measuring resistor, is to provide a voltage difference across the resistor, with which voltage difference a current is generated for either transistor 2 and 6, depending on the direction of the current I, on the signal path. Let us first examine a case in which the current I, goes in the direction from point (a) to point (b), i.e. from left to right. In this case, the current I: causes a voltage drop in R2, which leads to a voltage difference between (a) and (b), i.e. (a) become positive. When the voltage U (R2) in the measuring resistor R2 exceeds the base-emitter voltage in the transistor 2, a control voltage / current is generated from point (a) across the resistor R1 of the base B, i.e. the control electrode 3, in the first transistor, i.e. the semiconductor coupler 2. The control current passes through the base-emitter junction of the transistor 2 to R3 and on to point (b). The second transistor 6 is biased in the opposite direction.

Kollektorerna i transistorerna är sammankoppla- de i en kollektorlinje, dvs. mätströmslinje J. Mät- strömslinjen uppvisar ett motstånd R4. En mätström I, alstras av en spänningskälla U(s), då transistorn 2 kopplar pá strömmen när den får en styrsignal till sin styrelektrod, dvs. bas B. Mätströmslinjen J, dvs. kol- lektorlinjen, leder en ström som åstadkommer en jämvikt.The collectors in the transistors are connected in a collector line, ie. measuring current line J. The measuring current line has a resistor R4. A measuring current I, is generated by a voltage source U (s), when the transistor 2 switches on the current when it receives a control signal to its control electrode, i.e. base B. Measuring current line J, ie. the collector line, leads a current that achieves an equilibrium.

Förhållandet mellan motstånden R2 and R3 bestämmer strömöverföringskoefficienten mellan strömmarna I, och Im. I fråga om NPN-transistorer är spänningen U(s) högre än spänningen U(x) hos signalbanan, och vice versa, då det gäller PNP-transistorer. man; 10 15 20 25 30 35 516 351 5 I en föredragen utföringsform av uppfinningen är motståndet R2 på signalbanan l och motståndet Rl, som kopplar huvudströmvägselektroden 8, dvs. emittern E, i den andra halvledarkopplaren 6 till signalbanan 1, an- ordnade att koppla strömmen I,i.mätströmslinjen J, dvs. kollektorlinjen, som är gemensam för halvledarkopplarna 2 och 6, genom huvudströmvägselektroderna 4 och 5 i den första halvledarkopplaren 2.The ratio of the resistors R2 and R3 determines the current transfer coefficient between the currents I, and Im. In the case of NPN transistors, the voltage U (s) is higher than the voltage U (x) of the signal path, and vice versa, in the case of PNP transistors. MAN; In a preferred embodiment of the invention, the resistor R2 on the signal path 1 and the resistor R1, which connect the main current path electrode 8, i.e. the emitter E, in the second semiconductor coupler 6 to the signal path 1, is arranged to connect the current I, in the measuring current line J, i.e. the collector line, which is common to the semiconductor couplers 2 and 6, through the main current path electrodes 4 and 5 in the first semiconductor coupler 2.

Om strömmen i signallinjen 1 går i motsatt riktning, varvid (b) är positivare, får transistorn 6 styrströmmen från punkt (b) via R3 till sin styrelektrod 7, dvs. bas B, varvid kollektorlinjen, dvs. mätströms- linjen J, kopplas. I denna föredragna utföringsform är huvudströmselektroderna 5 och 9, nu kollektorerna C, i halvledarkopplarna, dvs. transistorerna 2 och 6, samman- kopplade i mätströmslinjen J. I detta fall är motståndet R2 på signalbanan l och motståndet R3, som kopplar hu- vudströmvägselektroden 4, dvs. emittern E, i den första halvledarkopplaren 2 till signalbanan, anordnade att koppla strömmen I, i mätströmslinjen J medelst styr- elektroden 7 i den andra halvledarkopplaren genom huvud- strömselektroderna 8 och 9 i den andra halvledarkoppla- ren.If the current in the signal line 1 goes in the opposite direction, whereby (b) is positive, the transistor 6 receives the control current from point (b) via R3 to its control electrode 7, i.e. base B, whereby the collector line, i.e. measuring current line J, is connected. In this preferred embodiment, the main current electrodes 5 and 9, now the collectors C, are in the semiconductor couplers, i.e. the transistors 2 and 6, connected in the measuring current line J. In this case, the resistor R2 on the signal path 1 and the resistor R3, which connect the main current path electrode 4, i.e. the emitter E, in the first semiconductor coupler 2 to the signal path, arranged to connect the current I, in the measuring current line J by means of the control electrode 7 in the second semiconductor coupler through the main current electrodes 8 and 9 in the second semiconductor coupler.

I den föredragna utföringsformen av uppfinning- en är halvledarkopplarna 2 och 6 väsentligen analoga, och resistanserna hos motstånden R1 och R3, som kopplar huvudströmselektroderna 4 och 8 i halvledarkopplarna 2 och 6 till signalbanan 1, är av väsentligen samma stor- leksordning. Denna utföringsform förenklar kopplingen.In the preferred embodiment of the invention, the semiconductor switches 2 and 6 are substantially analogous, and the resistances of the resistors R1 and R3, which connect the main current electrodes 4 and 8 in the semiconductor switches 2 and 6 to the signal path 1, are of substantially the same order of magnitude. This embodiment simplifies the coupling.

I lösningen enligt uppfinningen är det väsent- ligt att samma ström Im kan användas pà signalbanan, t.ex. i en signalkrets, för att uttrycka strömmen I, oberoende av dess riktning. Det är väsentligt för funk- tionen att strömmen i mätmotståndet R2 förorsakar ett spänningsfall mellan motstånden R1 och R3. Beroende på vanan 10 516 351 6 strömmens I, riktning överskrider spänningen U(R2) i mätmotstàndet R2 bas-emitter-spänningen i nàgondera transistorn, varvid mätströmmen I, i kollektorlinjen passerar genom denna transistor. Även om uppfinningen ovan beskrivs med hänvis- ning till exemplen enligt bifogade ritning, är det klart att uppfinningen inte är begränsad till dem, utan kan modifieras pà många sätt inom ramen för den uppfinnings- idé som anförs i de bifogade patentkraven.In the solution according to the invention it is essential that the same current Im can be used on the signal path, e.g. in a signal circuit, to express the current I, regardless of its direction. It is essential for the function that the current in the measuring resistor R2 causes a voltage drop between the resistors R1 and R3. Depending on the direction of current I, the voltage U (R2) in the measuring resistor R2 exceeds the base-emitter voltage in either transistor, the measuring current I, in the collector line, passing through this transistor. Although the invention is described above with reference to the examples according to the accompanying drawing, it is clear that the invention is not limited to them, but can be modified in many ways within the scope of the inventive idea stated in the appended claims.

Claims

10 15 20 25 30 35 516 351 7 Patent claims:

Current mirror device for monitoring a bidirectional current on a signal path (1), which device has - a first semiconductor coupler (2) with a control electrode (3) and a main current path electrodes (4, 5), the current in the control electrode ( 3) is arranged to control the current (Im) passing through the main current path electrodes (4, 5), - a resistor (R1) arranged between the control electrode (3) and the signal path (1), - a resistor (R3) arranged between a main current path electrode (4) and the signal path (1) and - a resistor (R2) arranged on the signal path (1), characterized in that the current mirror device further has a per se known second semiconductor coupler (6) with a control electrode (7) and main current path electrodes (8, 9), that the control electrode (7) in the second semiconductor coupler (6) is connected to the main current path electrode (4) in the first semiconductor coupler (2) which is connected via the resistor (R3) to the signal path (1), that a main current path electrode (8) in the second semiconductor the coupler (6) is connected to the control electrode (3) in the first semiconductor coupler (2) and via the resistor (R1) to the signal path (1) and that certain other main path electrodes (5, 9) in each semiconductor coupler (2, 6) are interconnected.

Current mirror device according to Claim 1, characterized in that the other main current path electrodes (5, 9) in the semiconductor switches (2, 6) are connected in a measuring current line (J) and that the resistor (R2) on the signal path (1) ) and the resistor (R3), which connects a main current path electrode (4) in the first semiconductor coupler (2) to the signal path (1), are arranged to connect the current (Im) in the measuring current line (J) through the main current path electrodes (8, 9) in the other semiconductor coupler (6).

Current mirror device according to Claim 2, characterized in that the resistor (R2) on the signal path (1) and the resistor (R1) which connect the main current path electrode (8) in the second semiconductor coupler (6) to the signal path (1) are arranged to connect the current (Im) in the measuring current line (J), which is common to the semiconductor couplers (2, 6), by means of the control electrode (3) in the first semiconductor coupler (2) through the main current path electrodes (4, 5) in the first the semiconductor coupler (2).

Current mirror device according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor switches (2, 6) are substantially analogous and that the resistances of the resistors (R3, R1) which connect certain main current electrodes (4, 8) in the semiconductor switches (2, 6) to the signal path (1), is of substantially the same order of magnitude.