Дільник струму

Дільник струму, що містить вхідне коло, коло напруги зміщення, щонайменше одне вихідне коло, вхідний біполярний транзистор, щонайменше один вихідний біполярний транзистор, причому кількість вихідних транзисторів співпадає з кількістю вихідних кіл, емітер кожного вихідного транзистора з'єднаний з базою попереднього транзистора, а колектор кожного вихідного транзистора з'єднаний з відповідним вихідним колом, база останнього вихідного транзистора з'єднана з колом напруги зміщення, який відрізняється тим, що емітер вхідного транзистора з'єднаний з вхідним колом, а колектор вхідного транзистора з'єднаний з колом напруги зміщення. (19) (21) a200907950 (22) 28.07.2009 (24) 10.05.2011 (46) 10.05.2011, Бюл.№ 9, 2011 р. (72) ЗАЙЦЕВСЬКИЙ ІГОР ЛАВРОВИЧ (73) ЗАЙЦЕВСЬКИЙ ІГОР ЛАВРОВИЧ (56) US 5796243 A; 18.08.1998 WO 2005022742 A1; 10.03.2005 JP 2005303884 A; 27.10.2005 US 6225850 B1; 01.05.2001 US 5214321 A; 25.05.1993 US 4467290 A; 21.08.1984 DE 19618914 C1; 14.08.1997 US 5563534 A; 08.10.1996 EP 0239989 A1; 07.10.1987 3 Аналогічно до ідеального джерела струму, керованого струмом, вхідний опір Re ідеального дільника струму дорівнює нулю, а вихідний опір Rd дорівнює нескінченності. Реальний дільник струму як електронний компонент повинен мати параметри, наближені до ідеального, тобто мати мінімальний вхідний опір та максимальний вихідний опір кожного виходу. Низький вхідний опір забезпечує узгодження з джерелом вхідного струму, а високий вихідний опір виключає залежність вихідних струмів від опорів навантаження. Важливо також, щоб реальний дільник струму мав широкий частотний діапазон, мінімальні паразитні параметри - прохідну та вихідну ємності, та вносив мінімальний шум у вихідний сигнал. Використання дільника струму, як окремого схемотехнічного елемента, дозволяє ефективно вирішувати широке коло задач аналогової схемотехніки. Наприклад, побудова кіл зворотного зв'язку підсилювачів потребує послаблення сигналу при передачі сигналу з виходу підсилювача до його входу. Звичайно сигнал зворотного зв'язку передається у вигляді напруги, і для його послаблення використовується дільник напруги, який може вносити додатковий шум та обмежувати частотний діапазон підсилювача. У патенті US 6,838,936 описане рішення, у якому послаблення сигналу зворотного зв'язку у вигляді струму дозволяє уникнути цих недоліків. При цьому для послаблення сигналу може використовуватися дільник струму. Важливою галуззю використання дільників струму у складі інтегральних схем є компенсація та вимірювання дуже малих струмів витікання pnпереходів напівпровідникових приладів, та компенсація струмів витікання напівпровідникових фотодетекторів та детекторів ядерних частинок. Наприклад, струм витікання pn-переходу затвор-витік JFET-транзистора може мати величину -10 -12 порядку (10 ÷10 ) А [Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник / А.А.Зайцев и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С. 334], а струм витікання напівпровідникових фотодетекторів та детекторів ядерних частинок може -8 -10 мати величину порядку (10 ÷10 ) А [Акимов Ю.К. и др. - Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. - М.: Энергоатомиздат, 1989. С. 16]. Компенсація таких струмів за допомогою резисторів згідно з законом Ома потребує використан8 12 ня резисторів з опором порядку (10 ÷10 ) Ом, які неможливо виконати при обмеженій площі кристалу інтегральної мікросхеми [Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Мир, 1984. - С. 125÷128]. Тому у розробках пристроїв для компенсації та вимірювання дуже малих струмів існує задача заміни високоомних резисторів на інший фізичний механізм, що забезпечує контрольоване формування дуже малих струмів. Дільник струму з великим значенням коефіцієнта ділення в інтегральному виконанні забезпечує вирішення цієї задачі. Прикладом використання дільника струму у пристрої для вимірювання дуже малих струмів 94492 4 слугує описане у патенті US 4,739,252 технічне рішення, де в колі зворотного зв'язку використовується атенюатор струму з великим значенням коефіцієнта ділення на основі каскадного включення дільників струму в інтегральному виконанні у колі зворотного зв'язку по постійному струму. Прикладом використання дільника струму для компенсації струмів витікання напівпровідникових детекторів ядерних частинок слугує описаний у патенті UA84314 зарядово-чутливий попередній підсилювач з дільником струму з великим значенням коефіцієнта ділення в інтегральному виконанні в колі зворотного зв'язку. З наведених прикладів витікає можливість використання дільника струму як окремого схемотехнічного елемента, який дає змогу виконувати пристрої для компенсації та вимірюваннядуже малих струмів за інтегральною технологією. Для використання дільника струму як елемента інтегральних схем технологія його виконання повинна бути сумісною з технологією біполярних чи МДНструктур. При цьому він повинен складатися з мінімальної кількості елементів та займати мінімальну площу кристала, що сприяє мінімізації паразитних параметрів. При використанні дільника струму в колі зворотного зв'язку пристроїв для компенсації дуже малих струмів не потребується висока стабільність коефіцієнта ділення, але важливим є забезпечення великих значень коефіцієнта ділення струму та мінімізація паразитних параметрів. Фактором, що обмежує можливість використання дільника струму як схемотехнічного елемента, може бути невідповідність його технічної реалізації класичній еквівалентній схемі. Наприклад, технічна реалізація дільника напруги повністю відповідає його еквівалентній схемі - він складається з послідовно включених опорів. Технічна реалізація дільника струму може бути значно складнішою - у ньому використовуються керовані струмом джерела струму, що можуть складатися з багатьох активних та пасивних елементів, він може містити кола зворотного зв'язку з операційними підсилювачами та ін. [Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. - С. 170÷180]. Це призводить до звуження частотного діапазону, зростання шуму та потребує додаткової площі кристала при виконанні дільника струму як елемента інтегральної мікросхеми. Спосіб підключення дільника струму в такому разі не відповідає класичному та вимагає використання додаткових джерел живлення та струму для забезпечення його роботи. Все це обмежує можливості застосування дільника струму як окремого схемотехнічного елемента. Головними напрямками вдосконалення дільників струму є розширення можливостей застосування дільника струму як окремого схемотехнічного елемента шляхом: - спрощення схеми і забезпечення класичного способу підключення дільника струму; - виключення необхідності використання додаткових джерел струму, джерел живлення та кіл зворотного зв'язку; 5 - наближення параметрів дільника струму до ідеальної моделі - забезпечення мінімального вхідного опору та максимального вихідного опору, розширення частотного діапазону; - мінімізації паразитних параметрів - прохідної та вихідної ємності, та шуму при забезпеченні великих значень коефіцієнта ділення струму та можливості реалізації у вигляді елемента інтегральної мікросхеми. Відоме рішення дільника струму на основі схеми дзеркала струму, що описане у патенті US 4,973,857. Струм вхідного кола розподіляється між N вихідними колами за допомогою дзеркала струму на N транзисторах. Дільник струму має просту схему та виконується у вигляді елемента інтегральної мікросхеми. Недоліком цього рішення є неможливість отримання великих значень коефіцієнта ділення струму, що залежить від співвідношення площ активних елементів дзеркала струму, які можуть відрізнятися не більше, ніж у ~10 разів, та необхідність використання додаткового джерела зміщення. Відомі також рішення дільника струму з використанням пари біполярних транзисторів з емітерним зв'язком, що описані у патентах US 4,045,694 та 4,284,945. Вхідний струм подається в коло об'єднаних емітерів пари транзисторів, що слугує входом дільника струму, та розподіляється між колами їх колекторів в залежності від різниці потенціалів базових електродів цих транзисторів, яка підтримується за допомогою кола зворотного зв'язку. Ці дільники струму можуть забезпечити досить велике значення коефіцієнта ділення струму Аі~20 000 та переважно виконуються за інтегральною технологією. Недоліком цих технічних рішень є складність схеми, невідповідність способу підключення дільника струму до класичного, необхідність використання додаткових джерел струму, джерел живлення та наявність кола зворотного зв'язку, що призводить до обмеження частотного діапазону та підвищує рівень шуму на виході. Найближчим аналогом за технічним рішенням є описаний у патенті US 5,796,243 дільник/множник струму з включенням біполярних транзисторів за схемою Дарлінгтона, що містить: загальну шину, джерело напруги зміщення, та два однакові за структурою блоки, до кожного з яких входить вхідне коло, коло напруги зміщення, одне або більше вихідних кіл, вхідний біполярний транзистор, один або більше вихідних біполярних транзисторів, кількість яких співпадає з кількістю вихідних кіл, та одне або більше джерел струму, кількість яких співпадає з кількістю вихідних кіл, причому перший вивід джерела напруги зміщення з'єднаний з колом напруги зміщення, другий вивід джерела напруги зміщення з'єднаний з загальною шиною, 94492 6 емітер вхідного транзистора з'єднаний з загальною шиною, колектор вхідного транзистора з'єднаний з вхідним колом, емітер кожного вихідного транзистора з'єднаний з базою попереднього транзистора, база останнього вихідного транзистора з'єднана з колом напруги зміщення, колектор кожного вихідного транзистора з'єднаний з відповідним вихідним колом, перший вивід кожного джерела струму з'єднаний з емітером відповідного вихідного транзистора, а другий вивід кожного джерела струму з'єднаний з загальною шиною. Дільник/множник струму містить однакові за структурою перший та другий блоки, робота яких аналогічна. Розглянемо роботу першого блока. До складу першого блока входять біполярні транзистори Q1÷QN, що включені за схемою Дарлігтона. В роботі дільника/множника струму використовується експоненціальна залежність струму колектора біполярного транзистора від напруги Vbe на його переході база-емітер. При включенні n транзисторів за схемою Дарлінгтона напруга Vb між емітером вхідного транзистора Q1, що з'єднаний з загальною шиною, та базою n-го вихідного транзистора QN, що з'єднана з колом напруги зміщення VI, пропорційна сумі логарифмів струмів колекторів всіх n транзисторів. Це означає, що добуток струмів колекторів всіх n транзисторів є експоненціальною функцією від напруги Vb джерела зміщення. При реалізації функції ділення у схемі дільника/множника струму вхідним струмом слугує струм I1 колектора вхідного транзистора Q1, що подається на вхідне коло від зовнішнього джерела струму. При цьому передбачено регулювання напруги зміщення Vb як функції струму її за рахунок дії додаткового кола зворотного зв'язку. Якщо задати функцію регулювання напруги зміщення Vb пропорційно до логарифма вхідного струму I1 у вигляді Vb=2φt∙1n(I1/Is), де Is - струм насичення pn-переходу, φt -температурний потенціал, а інші струми, крім Ii та Ij, задати постійними від додаткових зовнішніх джерел струму Іс=const, то для вихідного струму Ij схема виконує функцію дільника вхідного струму її з коефіцієнтом ділення n-2 А=(Ic/Is) . Струми Іс, Ij протікають у колах колекторів транзисторів Q2÷QN та відводяться до загальної шини з їх емітерів за допомогою керованих струмами І2÷Іn джерел струму C2÷CN. Для реалізації функції ділення потрібно, щоб за схемою Дарлінгтона були включені більше, ніж 2 транзистори: n>2. Наприклад, при n=3 для коефіцієнта ділення А отримуємо: А=Ic/Is. Маючи на увазі, що струм насичення Is для pn-переходів кремнієвих транзисторів має досить мале значен-11 ня Is≈10 А [Игумнов Д.В., Николаевский И.Ф. Транзисторы в микрорежиме. - М.: Сов. Радио, -5 1978. - С .11], достатньо задати Іс≈10 А для того, щоб отримати велике значення коефіцієнта ділен6 ня струму А=Ic/Is ≈10 . 7 Таким чином перевагами цього технічного рішення є можливість отримання великих значень коефіцієнта ділення струму та регулярність структури схеми, що сприяє її реалізації методами мікроелектронної технології. Недоліками цього технічного рішення є: - складність схеми, спосіб підключення якої не відповідає класичному; - необхідність використання джерел струму, керованих струмами, які вимагають складної схемотехнічної реалізації; - потреба у використанні джерел живлення та додаткових джерел струму; - наявність кола зворотного зв'язку, що може обмежувати частотний діапазон і бути джерелом додаткового шуму, що обмежує можливості застосування цього технічного рішення як окремого схемотехнічного елемента. В основу винаходу поставлено задачу розширення можливостей застосування дільника струму як окремого схемотехнічного елемента шляхом: - спрощення схеми дільника струму і забезпечення класичного способу його підключення; - виключення необхідності використання додаткових джерел струму, джерел живлення та кіл зворотного зв'язку; - розширення частотного діапазону, мінімізації паразитних параметрів та шуму при збереженні можливості отримання великих значень коефіцієнта ділення струму та можливості реалізації у вигляді елемента інтегральної мікросхеми. Поставлена задача вирішується тим, що у дільнику струму, що містить: вхідне коло, коло напруги зміщення, одне або більше вихідних кіл, вхідний біполярний транзистор, один або більше вихідних біполярних транзисторів, кількість яких співпадає з кількістю вихідних кіл, причому емітер кожного вихідного транзистора з'єднаний з базою попереднього транзистора, колектор кожного вихідного транзистора з'єднаний з відповідним вихідним колом, база останнього вихідного транзистора з'єднана з колом напруги зміщення, відповідно до винаходу емітер вхідного транзистора з'єднаний з вхідним колом, а колектор вхідного транзистора з'єднаний з колом напруги зміщення. На кресленні подана принципова електрична схема дільника струму, що заявляється, на якій показано вхідне коло 1, коло 2 напруги зміщення, перше вихідне коло 3, друге вихідне коло 4, останнє вихідне коло 5, вхідний біполярний транзистор 6, перший вихідний біполярний транзистор 7, другий вихідний біполярний транзистор 8, останній вихідний біполярний транзистор 9, причому емітер вхідного транзистора 6 з'єднаний з вхідним колом 1, колектор вхідного транзистора 6 з'єднаний з колом 2 напруги зміщення, 94492 8 база вхідного транзистора 6 з'єднана з емітером першого вихідного транзистора 7, колектор першого вихідного транзистора 7 з'єднаний з першим вихідним колом 3, база першого вихідного транзистора 7 з'єднана з емітером другого вихідного транзистора 8, колектор другого вихідного транзистора 8 з'єднаний з другим вихідним колом 4, база другого вихідного транзистора 8 з'єднана з емітером наступного транзистора, емітер останнього вихідного транзистора 9 з'єднаний з базою попереднього транзистора, колектор останнього вихідного транзистора 9 з'єднаний з останнім вихідним колом 5, а база останнього вихідного транзистора 9 з'єднана з колом 2 напруги зміщення. Дільник струму, що заявляється, функціонує наступним чином. Вхідний струм Іе подається до вхідного кола 1, що з'єднане з емітером вхідного транзистора 6. Схема підключення вхідного транзистора 6 дільника струму відповідає схемі з загальним колектором, тому що його колектор з'єднаний з колом 2 напруги зміщення. Таке підключення вхідного транзистора 6 забезпечує низький вхідний опір Re кола його емітера [Шило В.Л., Линейные интегральные схемы. - М.: Сов. Радио, 1979. - С. 22÷25]: Re=φt/Іе=0,026/Іе (Ом) , (1) де φt≈26 мВ при Т=300К. Згідно з принципом дії транзистора, струм бази транзистора в активному режимі у (β+1) разів менше за струм його емітера, де β - коефіцієнт підсилення струму бази. Враховуючи, що транзистори дільника струму мають достатньо великі значення β>>1, струм бази Іb[1] вхідного транзистора 6 дорівнює: Іb[1]≈Іе/β[1], (2) де β[1] - коефіцієнт підсилення струму бази вхідного транзистора 6. Струм бази вхідного транзистора 6 подається в коло емітера першого вихідного транзистора 7, колектор якого з'єднаний з першим вихідним колом 3. Відносно вхідного транзистора 6 транзистор 7 слугує буферним транзистором, що приймає струм Іb[1] бази вхідного транзистора 6 та передає його у перше вихідне коло 3, що з'єднане з його колектором. Коло емітера транзистора 7, до якого підключена база вхідного транзистора 6, являє собою коло з низьким опором, що забезпечує добре сполучення з відносно високим вихідним опором кола бази вхідного транзистора 6. Схема підключення транзистора 7 відповідає схемі з загальною базою, тому що потенціал його бази є фіксованим за рахунок низького вхідного опору з'єднаного з ним емітера наступного вихідного транзистора. При цьому забезпечуються високий вихідний опір першого вихідного кола 3 дільника струму. Струм Id[l] першого вихідного кола 3 дільника струму дорівнює: (3) Id[1]=Іb[1]α[2]=Іе∙α[2]/β[1], де α[2] - коефіцієнт передачі струму емітера першого вихідного транзистора 7. Для отримання великих коефіцієнтів ділення струму у дільнику струму, що заявляється, використовується каскадне включення вихідних транзис 9 торів. При каскадному включенні n вихідних транзисторів струм бази попереднього вихідного транзистора подається в коло емітера наступного вихідного транзистора, а струм бази останнього n-го вихідного транзистора відводиться до кола 2 напруги зміщення. При каскадному включенні вихідних транзисторів потенціал бази кожного з них є фіксованим за рахунок низького вхідного опору з'єднаного з нею емітера наступного вихідного транзистора, а база останнього n-го вихідного транзистора 10 з'єднана з колом 2 напруги зміщення. Тому схема підключення кожного з них відповідає схемі з загальною базою. При цьому забезпечується добре сполучення відносно високих вихідних опорів кіл бази попередніх транзисторів з низькими вхідними опорами кіл емітерів наступних транзисторів. З колекторів вихідних транзисторів поділений вхідний струм передається у вихідні кола дільника струму. При цьому забезпечуються високий вихідний опір всіх вихідних кіл дільника струму. При каскадному включенні вихідних транзисторів струм бази Іb[2] першого вихідного транзистора 7 подається в коло емітера другого вихідного транзистора 8. Відносно першого вихідного транзистора 7 другий вихідний транзистор 8 слугує буферним транзистором, що знімає струм бази Іb[2] та передає його у друге вихідне коло 4. З колектора другого вихідного транзистора 8 знімається струм Id[2] другого вихідного кола 4 дільника струму, що дорівнює: Id[2]=α[3]∙Ib[2]=Іе∙α[3]∙α[2]/{β[1]∙β[2]}, (4) де: α[3] - коефіцієнт передачі струму емітера другого вихідного транзистора 8, β[2] - коефіцієнт підсилення струму бази першого вихідного транзистора 7. Так само струм бази Іb[3] другого вихідного транзистора 8 подається в коло емітера наступного вихідного транзистора і т. д. Струм n-го вихідного кола 5, що знімається з колектора n-го вихідного транзистора 9, дорівнює: Id[n]=Іе∙Пα[1...n]/Пβ[1...n]. (5) Враховуючи, що для коефіцієнтів передачі струму емітера транзисторів можна з достатньою точністю вважати α~1, отримуємо вираз для струму k-го вихідного кола: Id[k]=Іе/Пβ[1...k]=Іе/А[k], (6) де k - ціле число від 1 до n. Таким чином для k-го вихідного кола схема виконує функцію дільника вхідного струму Іе з коефіцієнтом ділення А[k]=Пβ[1...k], (7) що дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення струму бази транзисторів від вхідного транзистора 6 до k-го. Маючи на увазі, що транзистори дільника струму можуть працювати в режимі мікрострумів, необхідно враховувати залежність коефіцієнта β підсилення струму бази транзистора від його струму колектора І: (1-1/m) β(I)~I , (8) де 1