×
04.05.2020
220.018.1b9f

ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в создании как инвертирующего, так и неинвертирующего токового зеркала на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом для работы при низких температурах, обеспечивающего для разных выходов инвертирующее и неинвертирующее преобразования входного токового сигнала с коэффициентом передачи по току больше единицы. Токовое зеркало содержит шину источника питания, полевые транзисторы, источник опорного напряжения, полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом (JFET). 3 з.п. ф-лы, 9 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве функционального узла аналоговых микросхем (например, дифференциальных (ОУ) и мультидифференциальных операционных усилителях (МОУ), компараторах и т.п.) для задач усиления и фильтрации сигналов, в том числе в диапазоне низких температур.

Основой современных микроэлектронных операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, компараторов и т.п. являются так называемые «токовые зеркала», обеспечивающие инверсию по фазе входного токового сигнала в широком диапазоне его изменения [1-21]. Качественные показатели практически всех современных аналоговых микросхем определяются статическими и динамическими параметрами токовых зеркал (ТЗ). Предполагаемое изобретения относится к данному подклассу устройств.

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является токовое зеркало, описанное в патенте фирмы Intel Corporation US 6.630.818 (fig. 4, 2003 г.), содержащее вход 1 и инвертирующий выход 2 устройства, согласованные с первой 3 шиной источника питания, первый 4 входной полевой транзистор, сток которого связан со входом 1 устройства и соединен с затвором второго 5 входного полевого транзистора, первый 6 выходной полевой транзистор, сток которого подключен к инвертирующему выходу 2 устройства, второй 7 выходной полевой транзистор, источник опорного тока 8, вторую 9 шину источника питания.

Существенный недостаток известного токового зеркала состоит в том, что оно оказывается неработоспособным при реализации на JFet полевых транзисторах, обеспечивающих экстремально малый уровень шумов, высокую радиационную стойкость и стабильную работу аналоговых микросхем в диапазоне криогенных температур. Кроме этого, оно имеет только инвертирующий выход. В тоже время для многих задач аналого-цифрового усиления и фильтрации сигналов крайне необходимы токовые зеркала, содержащие неинвертирующий токовых выход, для которого коэффициент передачи по входному току лежит в диапазоне 1-10 единиц. Такие функциональные узлы позволяют создавать высококачественные активные RC-фильтры, положительная обратная связь в которых замыкается через токовое зеркало.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании как инвертирующего, так и неинвертирующего токового зеркала на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом для работы при низких температурах, обеспечивающего для разных выходов инвертирующее и неинвертирующее преобразования входного токового сигнала с коэффициентом передачи по току больше единицы.

Поставленная задача решается тем, что в токовом зеркале фиг. 1, содержащем вход 1 и инвертирующий выход 2 устройства, согласованные с первой 3 шиной источника питания, первый 4 входной полевой транзистор, сток которого связан со входом 1 устройства и соединен с затвором второго 5 входного полевого транзистора, первый 6 выходной полевой транзистор, сток которого подключен к инвертирующему выходу 2 устройства, второй 7 выходной полевой транзистор, источник опорного тока 8, вторую 9 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - исток второго 5 входного полевого транзистора соединен с первым 10 источником опорного напряжения, его сток соединен с затвором второго 7 выходного полевого транзистора и через источник опорного тока 8 связан со второй 9 шиной источника питания, исток второго 7 выходного полевого транзистора связан с истоком первого 4 входного полевого транзистора и истоком первого 6 выходного полевого транзистора, затвор первого 4 входного полевого транзистора связан с затвором первого 6 выходного полевого транзистора и подключен ко второму 11 источнику опорного напряжения, а сток второго 7 выходного полевого транзистора связан с дополнительным неинвертирующим токовым выходом 12 устройства, причем в качестве всех упомянутых выше полевых транзисторов токового зеркала используются полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом JFET.

На фиг. 1 представлена схема токового зеркала-прототипа по патенту 2003 года US 6.630.818 (fig. 4) фирмы Intel Corporation.

На фиг. 2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения.

На фиг. 3 приведена функциональная схема заявляемого устройства фиг. 2.

На фиг. 4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 3 формулы изобретения.

На фиг. 5 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п. 4 формулы изобретения.

На фиг. 6 приведен статический режим токового зеркала фиг. 4 при температуре -197°С в среде LTSpiceXVII на моделях комплементарных полевых транзисторах ОАО «Интеграл» (г. Минск) при I1=100 мкА, Iвх=I2=50 мкА.

На фиг. 7 показаны зависимости выходных токов токового зеркала фиг. 6 для инвертирующего (2) и неинвертирующего (12) токовых выходов (фиг. 2) при температурах 27°С и -197°С для токов I1=100 мкА, Iвх=I2=0÷100 мкА.

На фиг. 8 представлен статический режим токового зеркала фиг. 5 при температуре -197° на моделях комплементарных полевых транзисторах ОАО «Интеграл» (г. Минск) при I1=100 мкА, Iвх=I2=50 мкА.

На фиг. 9 показаны зависимости выходных токов токового зеркала фиг. 8 для инвертирующего (2) и неинвертирующего (12) токовых выходов (фиг. 2) при температурах 27°С и -197°С для токов I1=100 мкА, Iвх=I2=0÷100 мкА.

Токовое зеркало фиг. 2 содержит вход 1 и инвертирующий выход 2 устройства, согласованные с первой 3 шиной источника питания, первый 4 входной полевой транзистор, сток которого связан со входом 1 устройства и соединен с затвором второго 5 входного полевого транзистора, первый 6 выходной полевой транзистор, сток которого подключен к инвертирующему выходу 2 устройства, второй 7 выходной полевой транзистор, источник опорного тока 8, вторую 9 шину источника питания. Исток второго 5 входного полевого транзистора соединен с первым 10 источником опорного напряжения, его сток соединен с затвором второго 7 выходного полевого транзистора и через источник опорного тока 8 связан со второй 9 шиной источника питания, исток второго 7 выходного полевого транзистора связан с истоком первого 4 входного полевого транзистора и истоком первого 6 выходного полевого транзистора, затвор первого 4 входного полевого транзистора связан с затвором первого 6 выходного полевого транзистора и подключен ко второму 11 источнику опорного напряжения, а сток второго 7 выходного полевого транзистора связан с дополнительным неинвертирующим токовым выходом 12 устройства, причем в качестве всех упомянутых выше полевых транзисторов токового зеркала используются полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом JFET. На фиг. 2 двухполюсники 13 и 14 моделируют свойства нагрузки подключаемой к инвертирующему выходу 2 устройства и дополнительному неинвертирующему токовому выходу 12 устройства, для которого коэффициент передачи по току равен двум единицам.

Функциональная схема фиг. 3 соответствует конкретным схемотехническим решениям ТЗ (фиг. 2, фиг. 4, фиг. 5).

На фиг. 4, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, в схему введен третий 15 JFET выходной полевой транзистор, затвор которого соединен с затвором первого 6 JFET выходного полевого транзистора, исток соединен с истоком первого 6 JFET выходного полевого транзистора, а сток соединен с инвертирующим выходом 2 устройства. В таком схемотехническом решении коэффициент передачи по току для дополнительного неинвертирующего токового выхода 12 устройства равен трем единицам, а для инвертирующего выхода 2 устройства - двум единицам. Кроме этого, на фиг. 4, в качестве первого 10 источника опорного напряжения используется напряжение на общей шине источников питания, а в качестве второго 11 источника опорного напряжения используется напряжение на второй 9 шине источника питания.

На фиг. 5, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, в схему введен дополнительный 16 JFET полевой транзистор, сток которого связан со второй 9 шиной источника питания, затвор соединен с затвором второго 7 JFET выходного полевого транзистора, а исток подключен к объединенным истокам первого 4 JFET входного и первого 6 JFET выходного полевых транзисторов. Введение здесь дополнительных элементов обеспечивает единичные коэффициенты передачи по току как для дополнительного неинвертирующего токового выхода 12 устройства, так и для инвертирующего выхода 2 устройства - это значительно расширяет функциональные возможности предлагаемого ТЗ и позволяет создавать нетрадиционные аналоговые схемы на его основе. Известные ТЗ данным свойством не обладают.

Рассмотрим работу ТЗ с учетом результатов моделирования, представленных на фиг. 6- 9.

Предлагаемое ТЗ имеет устойчивый статический режим (фиг. 6) при температуре до минус 197°С.

Зависимости выходного тока ТЗ фиг. 6, представленные на фиг. 7 для разных температурных условий (27°С и -197°С) в широком диапазоне изменения входных токов Iвх=I2=0÷100 мкА показывают, что предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность передачи тока на неинвертирующий выход (IRн2, коэффициент передачи - 3 единицы) и инвертирующий выход (IRн1, коэффициент передачи - 2 единицы).

Особенность схемы фиг. 8 состоит в том, что здесь коэффициент передачи по току строго равен единице (фиг. 9) как по инвертирующему (IRн1), так и по неинвертирующему (IRн2) токовым выходам, в широком диапазоне температур. Это позволяет создавать нетрадиционные схемотехнические решения на его основе для задач прецизионного усиления и фильтрации сигналов.

Следует также заметить, что по реализуемой точности передачи тока и численных значениях коэффициента усиления, который зависит от числа параллельно включенных элементарных транзисторов в структуре первого 6 и второго 7 составных JFET выходных полевых транзисторов (фиг. 4, фиг. 5), предлагаемые схемы ТЗ не имеют аналогов. Моделирование показывает, что данные качества сохраняются не только в диапазоне криогенных температур, но и при воздействии проникающей радиации.

Представленные на фиг. 9 зависимости выходных токов IRн1 и IRн2 от входного тока Iвх ТЗ фиг. 8 для разных температурных условий (27°С и -197°С), показывают, что заявляемое устройство имеет не только неинвертирующеий токовый выход (IRн2), а может также обеспечить инвертирующее преобразование входных сигналов относительно инвертирующего выхода 2. Это значительно расширяет функциональные возможности предлагаемого схемотехнического решения при его использовании в современной CJFet аналоговой схемотехнике.

Таким образом, заявляемо устройство имеет существенные преимущества в сравнении с аналогами.

Источники информации

1. Патент US №6.630.818, fig. 4, 2003 г.

2. Патент ЕР №2652872, fig. 2, 2015 г.

3. Патент US №7.869.285, fig. 1, 2011 г.

4. Патент US №7.312.651, 2007 г.

5. Патент RU №2544780, fig. 2, 2013 г.

6. Патент US №8.169.263, 2012 г.

7. Патент US №7.915.948, 2011 г.

8. Патент US №6.492.796, fig. 1, fig. 2, fig. 8, 2002 г.

9. Патент US №7.541.871, fig. 1, 2009 г.

10. Патент US №5.801.523, fig. 1, 1998 г.

11. Патент US №6.617.915, 2003 г.

12. Заявка на патент US №2007/0216484, fig. 15, 2007 г.

13. Патент US №6.639.452, fig. 1, 2003 г.

14. Патент US №5.515.010, 1996 г.

15. Заявка на патент US №2006/0232340, 2006 г.

16. Патент ЕР №1313211, fig. 3, 2001 г.

17. Патент US №6.842.050, fig. 3, 2005 г.

18. Патент US №6.980.054, fig. 7, 2005 г.

19. Авт. свид. SU 1529410, 1989 г.

20. Полезная модель 139042, 2014 г.

21. Токовые зеркала для проектирования КМОП аналоговых микросхем: основные модификации (ТЗ №1-№36) / Прокопенко Н.Н., Титов А.Е., Бутырлагин Н.В. // Библиотека схемотехнических решений. ИППМ РАН, 2019, С. 1-29. URL: http://www.ippm.ru/data/eljrnal/paper/J4.pdf (режим доступа свободный).


ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 186.
13.01.2017
№217.015.8dc0

Способ штамповки деталей из металлов и сплавов и пресс для его осуществления

Изобретение относится к области обработки давлением и может быть использовано для выполнения технологических операций штамповки эластичным пуансоном при изготовлении несимметричных деталей сложной формы толщиной 0,01-0,3 мм. На заготовку воздействуют статической нагрузкой до получения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605011
Дата охранного документа: 20.12.2016
13.01.2017
№217.015.90ce

Микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивных и емкостных датчиков с передачей результата преобразования по радиоканалу

Изобретение относится измерительным информационным системам, в частности к системам для измерения емкости и сопротивления и может быть использовано для измерения неэлектрических величин резистивными и емкостными датчиками в беспроводных системах контроля и управления. Микроконтроллерный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603937
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.9131

Универсальный набор для строительства малоэтажных зданий и сооружений

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении малоэтажных зданий различных конструктивных систем. Цель изобретения - создание универсального набора элементов, который может использоваться во всех трех системах: брусчатой, стоечной и легкокаркасной, при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605654
Дата охранного документа: 27.12.2016
25.08.2017
№217.015.9a08

Способ создания гидроизоляции

Изобретение относится к строительству, а именно к созданию вертикальной и горизонтальной гидроизоляции фундаментов, стен, и может быть использовано при возведении новых, а также реконструкции (восстановлении) существующих зданий и сооружений. Способ создания гидроизоляции включает...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002609511
Дата охранного документа: 02.02.2017
25.08.2017
№217.015.9f09

Бетонная смесь

Изобретение относится к составам мелкозернистых бетонных смесей, в том числе песчаных, используемых для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Технический результат - снижение расхода цемента и повышение трещиностойкости песчаного бетона после тепловлажностной обработки....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002606147
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.af78

Конструкция усиления железобетонной многопустотной плиты перекрытия

Изобретение относится к строительству, в частности, к конструкциям усиления железобетонных многопустотных плит перекрытия, доступ к которым сверху невозможен, например, плит перекрытия, используемых преимущественно в зданиях с совмещенной кровлей. Техническим результатом является увеличение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002610951
Дата охранного документа: 17.02.2017
25.08.2017
№217.015.b31a

Устройство терминального управления на основе вариационных принципов

Устройство терминального управления на основе вариационных принципов содержит блок отношения, пять блоков сумматоров, четырнадцать блоков умножения, блок вычисления производной, блок линии задержки, вход эталонного сигнала, блок хранения констант, соединенных определенным образом....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613623
Дата охранного документа: 21.03.2017
25.08.2017
№217.015.b65e

Устройство объединения медицинских изображений

Изобретение относится к информационно-измерительным устройствам и может быть использовано в вычислительной технике, в системах управления и обработки сигналов. Техническим результатом является обеспечение объединенного изображения со сглаженными границами перехода. Устройство содержит: регистр...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614545
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b96a

Биполярно-полевой мультидифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению разомкнутого мультидифференциального операционного усилителя при сохранении высокой стабильности нулевого уровня. Для этого предложен биполярно-полевой мультидифференциальный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615071
Дата охранного документа: 03.04.2017
25.08.2017
№217.015.b973

Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии двухкаскадного ОУ до уровня 90÷400 дБ....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615070
Дата охранного документа: 03.04.2017
Показаны записи 1-10 из 216.
20.04.2014
№216.012.bb74

Быстродействующий аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным входом

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники и связи. Технический результат заключается в расширении в несколько раз предельного частотного диапазона обрабатываемых входных сигналов АЦП за счет снижения погрешности передачи входных дифференциальных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002513716
Дата охранного документа: 20.04.2014
10.05.2014
№216.012.c282

Быстродействующий драйвер дифференциальной линии связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре «систем на кристалле» и «систем в корпусе» различного функционального назначения (например, операционных усилителей, работающих на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515543
Дата охранного документа: 10.05.2014
27.05.2014
№216.012.cacc

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Техническим результатом является повышение быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517682
Дата охранного документа: 27.05.2014
27.05.2014
№216.012.cadc

Широкополосный аттенюатор для быстродействующих аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов

Широкополосный аттенюатор для быстродействующих аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов относится к области измерительной техники, электротехники, радиотехники и связи и может использоваться в структуре различных интерфейсов, в измерительных приборах, быстродействующих аналого-цифровых (АЦП)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517698
Дата охранного документа: 27.05.2014
10.06.2014
№216.012.cfea

Сверхбыстродействующий параллельный аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным входом

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники и связи. Технический результат: расширение в несколько раз частотного диапазона обрабатываемых сигналов АЦП за счет снижения погрешности передачи входных дифференциальных напряжений от источников входных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002518997
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.d149

Управляемый усилитель и смеситель аналоговых сигналов на базе дифференциального каскада дарлингтона

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого с входов канала «X» зависит от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519348
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.d190

Широкополосный повторитель напряжения

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот широкополосного повторителя напряжения при наличии емкости на выходе С, которая не может быть уменьшена по объективным причинам - является неотъемлемой частью цепи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519419
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.d19a

Измерительный усилитель с управляемыми параметрами амплитудно-частотной характеристики

Изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Технический результат заключается в увеличении затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот при повышенной и достаточно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519429
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.07.2014
№216.012.dbc8

Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых и цифровых импульсных сигналов в устройствах различного функционального назначения, работающих на емкостную нагрузку. Достигаемый технический результат -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522042
Дата охранного документа: 10.07.2014
20.07.2014
№216.012.e026

Компенсационный стабилизатор напряжения

Устройство относится к области электротехники. Технический результат заключается в получении температурно-стабильного выходного напряжения и снижении минимальной разности напряжения вход-выход стабилизатора. Для этого предложен стабилизатор напряжения, содержащий первый и второй транзисторы,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002523168
Дата охранного документа: 20.07.2014
+ добавить свой РИД