ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЕ - ТОК

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЕ - ТОК


RU (11) 2307460 (13) C1

(51) МПК
H03F 3/45 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 11.01.2009 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2006109624/09 
(22) Дата подачи заявки: 2006.03.27 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2006.03.27 
(45) Опубликовано: 2007.09.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 998055 A1, 30.11.1982. SU 894581 A1, 30.12.1981. US 4146844 A, 31.10.1977. 
(72) Автор(ы): Старченко Евгений Иванович (RU); Гавлицкий Александр Иванович (RU) 
(73) Патентообладатель(и): ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) (RU) 
Адрес для переписки: 346500, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко, 147, ЮРГУЭС, патентная служба 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЕ - ТОК

Устройство относится к области электротехники и может использоваться при проектировании различных усилителей, аналоговых перемножителей напряжения и других элементов автоматики и вычислительной техники. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение линейности преобразования входного напряжения в выходной ток. Устройство содержит 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, 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 к эмиттеру второго транзистора, второй резистор включен между эмиттерами четвертого и пятого транзисторов. 4 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


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 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-I X)·K+IK. 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; UБЭ - 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 UX - напряжение на входе устройства; R0 - сопротивление первого резистора 3; 1 - коэффициент передачи тока эмиттера используемых транзисторов; rE= T/I0 - дифференциальное сопротивление эмиттера первого транзистора 1; 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 IX можно представить следующим образом:



Компенсирующий ток IK можно описать следующим выражением:



где RK - сопротивление второго резистора 10.

Можно показать, что I 0-IK>IK, 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 I / UВХ 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(UX) - текущее значение крутизны преобразования; SМАКС(U X) - максимальное значение крутизны преобразования на интервале изменения UX.

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.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


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.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru