Преобразователь напряжение - ток

Преобразователь напряжение - ток

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании различных усилителей, аналоговых перемножителей и других элементов автоматики и вычислительной техники.

Известны преобразователи напряжение - ток (ПНТ), имеющие высокую линейность преобразования, но обладающие большим токопотреблением [Schlotzhauer K.G., Metz A.J. Cascode feed-forward amplifier // US Patent №4322688. - 20.06.1982].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является ПНТ, приведенный в [Херпи М. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1983 (стр.366, рис.8.12)]. На фиг.1 показана упрощенная схема прототипа, содержащая первый транзистор, база которого является первым входом устройства, второй транзистор, база которого является вторым входом устройства, резистор, включенный между эмиттерами первого и второго транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого транзистора и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго транзистора и шиной отрицательного источника питания, токовыми выходами устройства являются соответственно коллекторы первого и второго транзисторов.

Недостатком прототипа является его низкая линейность преобразования входного напряжения в выходной ток.

Целью предлагаемого изобретения является повышение линейности преобразования напряжение - ток.

Для достижения поставленной цели в схеме прототипа, содержащей первый транзистор, база которого является первым входом устройства, второй транзистор, база которого является вторым входом устройства, резистор, включенный между эмиттерами первого и второго транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого транзистора и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго транзистора и шиной отрицательного источника питания, введены третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы и второй резистор, причем база третьего транзистора подключена к базе первого транзистора, эмиттер третьего транзистора соединен с эмиттером первого транзистора, а коллектор третьего транзистора подключен к эмиттеру четвертого транзистора, коллектор которого подключен к коллектору второго транзистора, а базы четвертого и пятого транзисторов объединены и подключены к источнику положительного напряжения смещения, коллектор пятого транзистора подключен к коллектору первого транзистора, эмиттер пятого транзистора соединен с коллектором шестого транзистора, база которого подключена ко второму входу устройства, а эмиттер шестого транзистора подключен к эмиттеру второго транзистора, второй резистор включен между эмиттерами четвертого и пятого транзисторов.

Заявляемый ПНТ (фиг.2) содержит первый транзистор 1, база которого является первым входом, а его коллектор - первым токовым выходом устройства, второй транзистор 2, база которого является вторым входом, а коллектор - вторым токовым выходом устройства, первый резистор 3, включенный между эмиттерами первого транзистора 1 и второго транзистора 2, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером первого транзистора 1 и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник 5, включенный между эмиттером второго транзистора 2 и шиной отрицательного источника питания, третий транзистор 6, база которого подключена к первому входу устройства, его эмиттер соединен с эмиттером первого транзистора 1, а его коллектор подключен к эмиттеру четвертого транзистора 7, коллектор которого соединен со вторым токовым выходом устройства, а его база соединена с базой пятого транзистора 8 и источником положительного напряжения смещения, коллектор пятого транзистора 8 подключен к первому токовому выходу устройства, а его эмиттер - к коллектору шестого транзистора 9, база которого соединена со вторым входом устройства, а его эмиттер - с эмиттером второго транзистора 2, второй резистор 10 включен между эмиттерами четвертого транзистора 7 и пятого транзистора 8.

Работу заявляемого ПНТ можно пояснить следующим образом. Первичное преобразование входного напряжения в выходной ток осуществляется с помощью первого транзистора 1, второго транзистора 2 и первого резистора 3. Ток на первом токовом выходе I_ВЫХ.1 будет слагаться из составляющих I₀ тока токостабилизирующего двухполюсника, приращения тока I_X, обусловленного наличием входного напряжения на базах транзисторов 1 и 2, тока I₂=(I₀-I_X)·K+I_K. Результирующее выражение можно представить в виде:

где K - коэффициент деления тока в делителях тока, выполненных на транзисторах 1, 3 и 2, 6; - компенсирующий нелинейность преобразования ток; ΔU_БЭ - разность напряжений база - эмиттер третьего транзистора 4 и четвертого транзистора 5; R_K - сопротивление второго резистора 10.

Ток, протекающий через первый резистор 3, можно представить в виде:

где U_X - напряжение на входе устройства; R₀ - сопротивление первого резистора 3; α≈1 - коэффициент передачи тока эмиттера используемых транзисторов; r_E=ϕ_T/I₀ - дифференциальное сопротивление эмиттера первого транзистора 1; ϕ_T - температурный потенциал.

Так как плечи устройства симметричны, то ток на втором токовом выходе устройства имеет те же составляющие, что и ток на первом токовом выходе, но с другими знаками:

Приращение тока I_X можно представить следующим образом:

Компенсирующий ток I_K можно описать следующим выражением:

где R_K - сопротивление второго резистора 10.

Можно показать, что I₀-I_K≫I_K, тогда (5) приобретает вид:

Результирующий выходной ток ПНТ, равный разности токов первого и второго выходов, можно представить в виде:

Подставив выражения (4) и (6) в (7), получим:

Из выражения (8) видно, что для получения минимального отклонения от линейности необходимо выполнение условия:

следовательно, для компенсации нелинейной составляющей выходного тока необходимо соблюдение соотношения:

Реально, с учетом объемных сопротивлений баз транзисторов и влияния зависимости коэффициента передачи тока эмиттера от тока эмиттера выражение более сложное, но в первом приближении выражение (9) показывает, что эффект компенсации нелинейности преобразования напряжение - ток присутствует.

Для подтверждения проведенного анализа приводятся результаты моделирования в среде PSpice. На фиг.3 приведены принципиальные схемы реализации ПНТ и прототипа, для удобства сравнения результатов моделирования сведенные в одну схему с общими источниками питания и входного сигнала.

В правой части принципиальной схемы на фиг.3 изображен заявляемый преобразователь напряжение - ток, в левой части - прототип предлагаемого изобретения. Резисторы R1, R5, R8 и R9 используются в качестве датчиков тока на токовых выходах заявляемого ПНТ и прототипа. Глобальные узлы V3_3 и 3_3 представляют входы заявляемого ПНТ, a V3_1 и 3_1 - входы прототипа. В качестве транзисторов были использованы модели активных компонентов GC_05_NPN, входящие в состав АБМК 1.2, выпускаемого НПО "Интеграл" (Минск) [Дворников О.В., Чеховской В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями // Chip News, №2, 1999. - С.21-23].

Работа делителей тока основана на неравенстве площадей входящих в них транзисторов: пусть s_i - площадь эмиттера соответствующего транзистора, тогда

где K - коэффициент деления тока в делителе, входящий в вышеприведенные соотношения.

Токи I₀ и крутизна преобразования в схемах прототипа и заявляемого ПНТ одинаковы.

На фиг.4 приведены графики отклонения от линейности преобразования напряжение - ток нормированной крутизны ΔI_Σ/ΔU_ВХ для схемы прототипа и заявляемого ПНТ, что сделано для наглядности полученных результатов, значение отклонения от линейности приведено в процентах. Выражение, описывающее графики, приведенные на фиг.4, можно представить в виде:

где S(U_X) - текущее значение крутизны преобразования; S_МАКС(U_X) - максимальное значение крутизны преобразования на интервале изменения U_X.

Кривая, отмеченная знаком (⋄), - нормированная крутизна преобразования напряжение - ток для схемы прототипа, кривая, отмеченная знаком (□), - нормированная крутизна преобразования напряжение - ток для схемы заявляемого ПНТ. В диапазоне изменения входного напряжения от -1 В до 1 В выигрыш в отклонении от линейного преобразования составляет более 30 раз: 0,023% у заявляемого ПНТ против 0,751% у схемы прототипа. Следует отметить, что в процессе проведения параметрической оптимизации была обнаружена следующая зависимость: минимальное отклонение от линейного преобразования соответствует случаю совмещения значений отклонения от линейного преобразования в крайних точках диапазона входного напряжения и в точке, соответствующей значению входного напряжения, равного 0 В. Изменение формы кривой отклонения от линейного преобразования заявляемого ПНТ достигается изменением значения компенсирующего резистора R_K.

Таким образом, проведенный анализ и результаты схемотехнического моделирования показывают, что достигается заявляемый технический результат - повышение линейности преобразователя ток - напряжение.

Преобразователь напряжение - ток, содержащий первый транзистор, база которого является первым входом, а коллектор первым токовым выходом устройства, второй транзистор, база которого является вторым входом, а коллектор вторым токовым выходом устройства, первый резистор, включенный между эмиттерами первого и второго транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого транзистора и шиной отрицательного источника питания, второй токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго транзистора и шиной отрицательного источника питания, отличающийся тем, что в устройство введены третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, второй резистор, причем база третьего транзистора подключена к первому входу устройства, эмиттер третьего транзистора подключен к эмиттеру первого транзистора, а коллектор третьего транзистора подключен к эмиттеру четвертого транзистора, коллектор четвертого транзистора соединен с коллектором второго транзистора, базы четвертого и пятого транзисторов объединены и подключены к источнику положительного напряжения смещения, коллектор пятого транзистора соединен с коллектором первого транзистора, база шестого транзистора соединена со вторым входом устройства, эмиттер шестого транзистора соединен с эмиттером второго транзистора, а коллектор шестого транзистора подключен к эмиттеру пятого транзистора, второй резистор включен между эмиттерам четвертого и пятого транзисторов.