[go: up one dir, main page]

RU2287892C1 - Voltage-to-current converter - Google Patents

Voltage-to-current converter Download PDF

Info

Publication number
RU2287892C1
RU2287892C1 RU2005114551/09A RU2005114551A RU2287892C1 RU 2287892 C1 RU2287892 C1 RU 2287892C1 RU 2005114551/09 A RU2005114551/09 A RU 2005114551/09A RU 2005114551 A RU2005114551 A RU 2005114551A RU 2287892 C1 RU2287892 C1 RU 2287892C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current
transistor
output
transistors
collector
Prior art date
Application number
RU2005114551/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Иванович Старченко (RU)
Евгений Иванович Старченко
Александр Иванович Гавлицкий (RU)
Александр Иванович Гавлицкий
Original Assignee
ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) filed Critical ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС)
Priority to RU2005114551/09A priority Critical patent/RU2287892C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2287892C1 publication Critical patent/RU2287892C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering; various amplifiers, analog voltage multipliers, and other automation and computer engineering components.
SUBSTANCE: proposed converter has transistors 1, 2, first resistor 3 inserted between emitters of transistors 1 and 2, current-regulating two-terminal networks 4, 5 connected, respectively, between emitters of transistors 1, 2 and negative power supply bus, first current divider 6 whose input is connected to collector of transistor 1, and second current divider 7 whose input is connected to collector of transistor 2; first output of current divider 6 is connected to collector of fourth transistor 9 and functions as current output of device; first output of second current divider 7 is connected to collector of third transistor 8 and functions as second current output of device; second resistor 10 is inserted between emitters of transistors 8, 9; bases of transistors 8, 9 are interconnected and connected to bias source; second output of first current divider 6 is connected to emitter of third transistor 8; second output of second current divider 7 is connected to emitter of fourth transistor 9.
EFFECT: enhanced linearity of input-voltage-to-output-current conversion.
1 cl, 5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может использоваться при проектировании различных усилителей, аналоговых перемножителей и других элементов автоматики и вычислительной техники.The present invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the design of various amplifiers, analog multipliers and other elements of automation and computer technology.

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].Known voltage-current converters (PNT), having a high linearity of conversion, but with high current consumption [Schlotzhauer K.G., Metz A.J. Cascode feed-forward amplifier // US Patent No. 4322688. - 06/20/1982].

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, выходами устройства являются соответственно коллекторы первого и второго транзисторов.The closest technical solution adopted for the prototype is PNT, given in [Herpy M. Analog Integrated Circuits: Trans. from English - M.: Radio and Communications, 1983. (p. 366, Fig. 8.12)]. Figure 1 shows a simplified prototype circuit comprising a first transistor, the base of which is the first input of the device, a second transistor, the base of which is the second input of the device, a resistor connected between the emitters of the first and second transistors, a first current-stabilizing two-terminal connected between the emitter of the first transistor and negative power supply bus, a second current-stabilizing two-terminal device connected between the emitter of the second transistor and the negative power supply bus, output outputs oystva collectors are respectively first and second transistors.

Недостатком прототипа является его низкая линейность преобразования входного напряжения в выходной ток.The disadvantage of the prototype is its low linearity of the conversion of the input voltage to the output current.

Целью предлагаемого изобретения является повышение линейности преобразования напряжение - ток.The aim of the invention is to increase the linearity of the voltage-current conversion.

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 первый и второй делители тока, третий и четвертый транзисторы, второй резистор, причем вход первого делителя тока подключен к коллектору первого транзистора, вход второго делителя тока подключен к коллектору второго транзистора, первый выход первого делителя тока соединен с коллектором четвертого транзистора и является первым токовым выходом устройства, первый выход второго делителя тока соединен с коллектором третьего транзистора и является вторым токовым выходом устройства, второй резистор включен между эмиттерами третьего и четвертого транзисторов, база третьего и четвертого транзисторов соединены и подключены к источнику смещения, второй выход первого делителя тока подключен к эмиттеру третьего транзистора, а второй выход второго делителя тока подключен к эмиттеру четвертого транзистора.To achieve this goal in the prototype circuit containing the first transistor, the base of which is the first input of the device, the second transistor, the base of which is the second input of the device, a resistor connected between the emitters of the first and second transistors, the first current-stabilizing two-terminal connected between the emitter of the first transistor and the bus a negative power source, a second current-stabilizing two-terminal device connected between the emitter of the second transistor and the negative power supply bus, The first and second current dividers, the third and fourth transistors, the second resistor, the input of the first current divider connected to the collector of the first transistor, the input of the second current divider connected to the collector of the second transistor, the first output of the first current divider connected to the collector of the fourth transistor and is the first current the output of the device, the first output of the second current divider is connected to the collector of the third transistor and is the second current output of the device, the second resistor is connected between the emitters of the third and even transistors, the base of the third and fourth transistors are connected and connected to a bias source, the second output of the first current divider is connected to the emitter of the third transistor, and the second output of the second current divider is connected to the emitter of the fourth transistor.

Заявляемый ПНТ (фиг.2) содержит первый транзистор 1, база которого является первым входом устройства, второй транзистор 2, база которого является вторым входом 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, первый делитель тока 6, вход которого подключен к коллектору первого транзистора 1, второй делитель тока 7, вход которого подключен к коллектору второго транзистора 2, а первый выход к коллектору третьего транзистора 8 и является вторым токовым выходом устройства, коллектор четвертого транзистора 9 подключен к первому выходу первого делителя тока 6 и является первым токовым выходом устройства, базы третьего транзистора 8 и четвертого транзистора 9 соединены и подключены к источнику смещения, второй выход первого делителя тока 6 подключен к эмиттеру третьего транзистора 8, а второй выход второго делителя тока 7 к эмиттеру четвертого транзистора 9, второй резистор 10 включен между эмиттерами третьего транзистора 8 и четвертого транзистора 9.The inventive PNT (figure 2) contains the first transistor 1, the base of which is the first input of the device, the second transistor 2, the base of which is the second input of the device, the first resistor 3 connected between the emitters of the first transistor 1 and the second transistor 2, the first current-stabilizing two-terminal 4, connected between the emitter of the first transistor 1 and the bus of the negative power supply, the second current-stabilizing two-terminal 5 connected between the emitter of the second transistor 2 and the bus of the negative power source, first a current divider 6, the input of which is connected to the collector of the first transistor 1, a second current divider 7, whose input is connected to the collector of the second transistor 2, and the first output to the collector of the third transistor 8 and is the second current output of the device, the collector of the fourth transistor 9 is connected to the first output the first current divider 6 and is the first current output of the device, the base of the third transistor 8 and the fourth transistor 9 are connected and connected to a bias source, the second output of the first current divider 6 is connected to the emitter the third transistor 8, and the second output of the second current divider 7 to the emitter of the fourth transistor 9, the second resistor 10 is connected between the emitters of the third transistor 8 and the fourth transistor 9.

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 IВЫХ.1 будет слагаться из составляющих I0 тока токостабилизирующего двухполюсника, приращения тока IX, обусловленного наличием входного напряжения на базах транзисторов 1 и 2, тока I2=(I0-IX)·K+IK, причем можно показать, что

Figure 00000002
, где ΔUБЭ - разность напряжений база-эмиттер третьего транзистора 8 и четвертого транзистора 9, a RK - сопротивление второго резистора 10, результирующее выражение можно представить в виде:The work of the proposed PNT can be explained as follows. The primary conversion of the input voltage to the output current is carried out using the first transistor 1, the second transistor 2 and the first resistor 3. The current at the first current output I OUT.1 will be composed of the components I 0 of the current of the stabilizing two-terminal network, the current increment I X , due to the presence of the input voltage on the bases of transistors 1 and 2, current I 2 = (I 0 -I X ) · K + I K , and it can be shown that
Figure 00000002
where ΔU BE is the voltage difference between the base-emitter of the third transistor 8 and the fourth transistor 9, and R K is the resistance of the second resistor 10, the resulting expression can be represented as:

Figure 00000003
Figure 00000003

где К - коэффициент деления в делителе тока ДТ.where K is the division coefficient in the current divider DT.

Очевидно, что ток коллектора первого транзистора 1 будет описываться таким же выражением, что и ток на первом токовом выходе прототипа. Данное выражение можно представить в виде:Obviously, the collector current of the first transistor 1 will be described in the same expression as the current at the first current output of the prototype. This expression can be represented as:

Figure 00000004
Figure 00000004

где UX - напряжение на входе устройства;where U X is the voltage at the input of the device;

R0 - сопротивление первого резистора 3;R 0 is the resistance of the first resistor 3;

α≈1 - коэффициент передачи тока эмиттера используемых транзисторов;α≈1 is the emitter current transfer coefficient of the used transistors;

rEТ/I0 - дифференциальное сопротивление эмиттера первого транзистора 1; φТ - температурный потенциал.r E = φ T / I 0 - differential resistance of the emitter of the first transistor 1; φ T is the temperature potential.

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:Since the shoulders of the device are symmetrical, the current at the second current output of the device has the same components as the current at the first current output, but with different signs:

Figure 00000005
Figure 00000005

Приращение тока Ix можно представить следующим образом:The current increment I x can be represented as follows:

Figure 00000006
Figure 00000006

где φТ - температурный потенциал.where φ T is the temperature potential.

Компенсирующий ток IK можно описать следующим выражением:The compensating current I K can be described by the following expression:

Figure 00000007
Figure 00000007

где RK - сопротивление второго резистора 10.where R K is the resistance of the second resistor 10.

Можно показать, что I0-IK≫IK, тогда (5) приобретает вид:It can be shown that I 0 -I K ≫I K , then (5) takes the form:

Figure 00000008
Figure 00000008

Результирующий выходной ток ПНТ, равный разности токов первого и второго выходов можно представить в виде:The resulting PNT output current equal to the difference of the currents of the first and second outputs can be represented as:

Figure 00000009
Figure 00000009

Подставив выражения (4) и (6) в (7), получим:Substituting expressions (4) and (6) in (7), we obtain:

Figure 00000010
Figure 00000010

Из выражения (8) видно, что для получения минимального отклонения от линейности необходимо выполнение условия:From the expression (8) it is seen that to obtain the minimum deviation from linearity, the following conditions must be met:

Figure 00000011
Figure 00000011

следовательно, значение второго резистора 10 зависит от сопротивления первого резистора 3:therefore, the value of the second resistor 10 depends on the resistance of the first resistor 3:

Figure 00000012
Figure 00000012

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.Actually, taking into account the volume resistances of the bases of transistors and the influence of the dependence of the emitter current transfer coefficient on the emitter current, the expression is more complex, but in a first approximation, expression (9) shows that the effect of compensating the nonlinearity of the voltage-current conversion is present.

Для подтверждения проведенного анализа приводятся результаты моделирования в среде Pspice. Вариант схемотехнической реализации заявляемого ПНТ приведен на фиг.3.To confirm the analysis, the simulation results in Pspice are presented. A variant of the circuitry implementation of the proposed PNT is shown in figure 3.

Участки принципиальной схемы, заключенные в пунктирные прямоугольники, являются частным случаем реализации делителей тока ДТ.Parts of the circuit diagram, enclosed in dashed rectangles, are a special case of the implementation of current dividers DT.

На фиг.4 приведены принципиальные схемы реализации заявляемого ПНТ и прототипа, для удобства сравнения результатов моделирования сведенные в один файл с общими источниками питания и стимулирующего входного сигнала.Figure 4 shows the schematic diagrams of the implementation of the claimed PNT and the prototype, for the convenience of comparing the simulation results combined in one file with common power sources and stimulating input signal.

В левой части принципиальной схемы на фиг.4 изображен заявляемый преобразователь напряжение - ток, в правой части - прототип предлагаемого изобретения. Резисторы R3, R4, R22 и R23 используются в качестве датчиков тока на токовых выходах заявляемого ПНТ и прототипа. Глобальные узлы X1 и Х2 представляют входы заявляемого ПНТ, а X11 и Х12 - входы прототипа. В качестве транзисторов были использованы модели активных компонентов GC_05_NPN, входящие в состав АБМК 1.2 [Дворников О.В., Чеховской В.А. Аналоговый биполярно-полевой БМК с расширенными функциональными возможностями// Chip News, №2, 1999. - с.21-23], выпускаемого НПО "Интеграл" (Минск).In the left part of the circuit diagram in figure 4 shows the inventive voltage-current converter, in the right part is a prototype of the invention. Resistors R3, R4, R22 and R23 are used as current sensors on the current outputs of the claimed PNT and prototype. Global nodes X1 and X2 represent the inputs of the claimed PNT, and X11 and X12 represent the inputs of the prototype. As transistors, the models of active components GC_05_NPN, which are part of ABMK 1.2 [Dvornikov O.V., Chekhovskoy V.A. Analog bipolar-field BMK with advanced functionality // Chip News, No. 2, 1999. - p.21-23], produced by the NGO "Integral" (Minsk).

Работа делителей тока основана на неравенстве площадей входящих в них транзисторов: пусть si - площадь эмиттера соответствующего транзистора, тогдаThe work of current dividers is based on the inequality of the areas of the transistors included in them: let s i be the emitter area of the corresponding transistor, then

Figure 00000013
Figure 00000013

где К - коэффициент деления тока в делителе, входящий в вышеприведенные соотношения.where K is the current division ratio in the divider, which is included in the above relations.

Токи I0 в схемах прототипа и заявляемого ПНТ одинаковы.Currents I 0 in the schemes of the prototype and the claimed PNT are the same.

На фиг.5 приведены графики относительного отклонения от линейного преобразования напряжение - ток нормированной крутизны ΔI/ΔUВХ для схемы прототипа и заявляемого ПНТ, что сделано для наглядности полученных результатов. Выражение, описывающее графики, приведенные на фиг.5, можно представить в виде:Figure 5 shows graphs of the relative deviations from the linear transformation of the voltage - current normalized slope ΔI / ΔU VX for the prototype circuit and the claimed PNT, which is done for clarity of the results. The expression describing the graphs shown in figure 5, can be represented as:

Figure 00000014
Figure 00000014

Выражение в скобках умножено на 100% для более наглядного отображения результатов моделирования, так как отклонение от линейного преобразования напряжение - ток для схемы прототипа не превышает 1%.The expression in parentheses is multiplied by 100% to more clearly display the simulation results, since the deviation from the linear voltage-current conversion for the prototype circuit does not exceed 1%.

Кривая, отмеченная знаком (◇) (фиг.5), - нормированная крутизна преобразования напряжение - ток для схемы прототипа, кривая, отмеченная знаком (

Figure 00000015
), - нормированная крутизна преобразования напряжение - ток для схемы заявляемого ПНТ. В диапазоне изменения входного напряжения от -1В до 1В выигрыш в отклонении от линейного преобразования составляет более 30 раз: 0,023% у заявляемого ПНТ против 0,753% у схемы прототипа. Следует отметить, что в процессе проведения параметрической оптимизации необходимо добиваться одинаковых значений отклонения на краях диапазона входного напряжения и в точке, соответствующей значению входного напряжения, равного 0 В. В этом случае отклонение от линейного преобразования будет минимальным. Получение минимального отклонения от линейного преобразования заявляемого ПНТ достигается изменением значения компенсирующего резистора RK.The curve marked with a sign (◇) (Fig. 5) is the normalized slope of the voltage-current conversion for the prototype circuit, the curve marked with a sign (
Figure 00000015
), is the normalized slope of the voltage-current conversion for the circuit of the claimed PNT. In the range of input voltage from -1V to 1V, the gain in deviation from linear conversion is more than 30 times: 0.023% for the claimed PNT against 0.753% for the prototype circuit. It should be noted that in the process of parametric optimization, it is necessary to achieve the same deviation values at the edges of the input voltage range and at a point corresponding to the input voltage value of 0 V. In this case, the deviation from the linear transformation will be minimal. Obtaining a minimum deviation from the linear transformation of the claimed PNT is achieved by changing the value of the compensating resistor R K.

Таким образом, проведенный анализ и результаты схемотехнического моделирования показывают, что достигается заявляемый технический результат - повышение линейности преобразователя ток - напряжение.Thus, the analysis and the results of circuit simulation show that the claimed technical result is achieved - increasing the linearity of the current-voltage converter.

Claims (1)

Преобразователь напряжение - ток, содержащий первый транзистор, база которого является первым входом устройства, второй транзистор, база которого является вторым входом 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 первый и второй делители тока, третий и четвертый транзисторы, второй резистор, причем вход первого делителя тока подключен к коллектору первого транзистора, вход второго делителя тока подключен к коллектору второго транзистора, первый выход первого делителя тока соединен с коллектором четвертого транзистора и является первым токовым выходом устройства, первый выход второго делителя тока соединен с коллектором третьего транзистора и является вторым токовым выходом устройства, второй резистор включен между эмиттерами третьего и четвертого транзисторов, база третьего и четвертого транзисторов соединены и подключены к источнику смещения, второй выход первого делителя тока подключен к эмиттеру третьего транзистора, а второй выход второго делителя тока подключен к эмиттеру четвертого транзистора.Voltage converter is a current containing the first transistor, the base of which is the first input of the device, the second transistor, the base of which is the second input of the device, the first resistor connected between the emitters of the first and second transistors, the first current-stabilizing two-terminal connected between the emitter of the first transistor and the negative source bus power supply, a second current-stabilizing two-terminal device connected between the emitter of the second transistor and the negative power supply bus, characterized in that the first and second current dividers, the third and fourth transistors, the second resistor are introduced into the device, the input of the first current divider connected to the collector of the first transistor, the input of the second current divider connected to the collector of the second transistor, the first output of the first current divider connected to the collector of the fourth transistor and is the first current output of the device, the first output of the second current divider is connected to the collector of the third transistor and is the second current output of the device, the second resistor is connected between em itters of the third and fourth transistors, the base of the third and fourth transistors are connected and connected to a bias source, the second output of the first current divider is connected to the emitter of the third transistor, and the second output of the second current divider is connected to the emitter of the fourth transistor.
RU2005114551/09A 2005-05-13 2005-05-13 Voltage-to-current converter RU2287892C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005114551/09A RU2287892C1 (en) 2005-05-13 2005-05-13 Voltage-to-current converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005114551/09A RU2287892C1 (en) 2005-05-13 2005-05-13 Voltage-to-current converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2287892C1 true RU2287892C1 (en) 2006-11-20

Family

ID=37502464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005114551/09A RU2287892C1 (en) 2005-05-13 2005-05-13 Voltage-to-current converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2287892C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4322688A (en) * 1979-10-11 1982-03-30 Tektronix, Inc. Cascode feed-forward amplifier
FR2640094A1 (en) * 1988-12-06 1990-06-08 Radiotechnique Compelec Cascode type amplifier

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4322688A (en) * 1979-10-11 1982-03-30 Tektronix, Inc. Cascode feed-forward amplifier
FR2640094A1 (en) * 1988-12-06 1990-06-08 Radiotechnique Compelec Cascode type amplifier

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ХЕРПИ М. Аналоговые интегральные схемы. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1983, с.366, рис.8.12. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101630176A (en) Low Voltage CMOS Bandgap Reference
RU2287892C1 (en) Voltage-to-current converter
RU2390916C1 (en) Precision operational amplifier
CN103226460B (en) Multichannel analogue multiply-divide arithmetic circuit
RU2331964C1 (en) Voltage-to-current converter
RU2307460C1 (en) Voltage-current transformer
RU2411636C1 (en) Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift
RU2374757C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2412530C1 (en) Complementary differential amplifier
RU2439780C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2402869C1 (en) Voltage-to-current converter
RU2234797C1 (en) Operational amplifier
RU2365029C1 (en) Cascode difference amplifier with low offset voltage
RU2255417C1 (en) Differential amplifier
RU2402151C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2390914C1 (en) Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift
RU2421894C1 (en) Differential amplifier
RU2394362C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2432666C1 (en) Differential operational amplifier with low supply voltage
RU2416150C1 (en) Differential operating amplifier
Wilson et al. High-precision current conveyor implementation employing a current-steering output stage
RU2419198C1 (en) Precision operating amplifier
RU2412528C1 (en) Cascode differential operating amplifier with low zero offset voltage
RU2343626C1 (en) Current mirror
RU2412529C1 (en) Cascode differential amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100514