Transportor curent

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 5 august 2019; verificările necesită 2 modificări .

Un  transportor de curent ( CC) este un model abstract al unui dispozitiv electronic universal cu trei ieșiri pentru procesarea semnalelor analogice în termeni de curenți și tensiuni , un analog idealizat al unui tranzistor . Două intrări ale transportorului de curent (analogii porții și sursei unui tranzistor cu efect de câmp sau emițător și baza unui tranzistor bipolar ) funcționează cu curenți și tensiuni și transmit ( de exemplu, transportul , deci transportorul ) curent la ieșirea transportorului (analog al unui dren sau colector), care are o impedanță de ieșire infinit de mare . În teorie, dispozitivele pe transportoare de curent sunt capabile să îndeplinească toate funcțiile îndeplinite de amplificatoarele operaționale clasice (amplificatoare operaționale) cu feedback de tensiune , de regulă, cu performanțe, precizie și cu mai puține componente externe. În practică, transportoarele actuale nu puteau concura cu amplificatoarele operaționale clasice și au găsit doar o utilizare limitată . În 1988-2015, industria a produs doar șase circuite integrate din această clasă . Cea mai răspândită zonă de aplicare a transportorului curent au fost etapele de intrare ale amplificatoarelor operaționale de mare viteză cu feedback de curent (op-amp TOS) . Aceste amplificatoare au o rată de variație practic nelimitată la frecvențe de tăiere peste 1 GHz.


Transportoare curentă de prima generație

În 1968, un absolvent proaspăt al Universității din Toronto Abel Sedra și supervizorul său Kenneth Smith propus conceptul de  „ transport curent ” și implementarea sa practică - un circuit cu cinci tranzistori, un fel de analog idealizat al bipolar npn- tranzistor [1] . Conform memoriilor lui Sedra, prototipul transportorului de curent a luat naștere în toamna anului 1966 [2] , în timpul lucrării de teză asupra unei sarcini practice - crearea unei surse de curent stabil compensate cu temperatură [3] . După depanarea acestui dispozitiv, Cedra și Smith au simplificat circuitul realizând un transportor de curent cu trei pini dintr-o sursă de curent cu un singur pin [3] . Primul dispozitiv practic bazat pe acesta a fost un amplificator de curent de laborator de bandă largă cu o gamă de funcționare de la curent continuu la 100 MHz [4] [comm. 1] . După ce Cedra și Smith au publicat o descriere a transportorului de a doua generație, circuitul din 1968 a devenit cunoscut ca transportor de curent de prima generație [5] (CCI+; semnul plus înseamnă control unidirecțional și curenți controlați).

În cea mai simplă conductă de curent, intrarea Y este controlată de tensiunea Vy, intrarea X de curentul Ix. Datorită repetorului (T1, T2), tensiunea la intrarea X repetă tensiunea la intrarea Y; datorită oglinzii de curent (T3, T4, T5), curenții care curg în intrarea Y și intrarea Z repetă curentul Ix indiferent de tensiunea Vy [1] [5] . În funcție de alegerea „sistemului de coordonate”, circuitul funcționează fie ca un analog tranzistor în modul de bază comună , fie ca un analog de tranzistor în modul colector comun [1] . În notația matriceală , comportamentul său este descris de ecuație

 [6]

Coeficienții de transfer de tensiune și curent ai circuitelor reale diferă în mod inevitabil de modelul ideal datorită efectului Earley , rezistența internă diferită de zero a joncțiunilor pn. Cedra și Smith au propus să compenseze eroarea pe care au generat-o folosind oglinzi de curent îmbunătățite și feedback pozitiv [1] . La frecvențe înalte, abaterea de la ideal crește, iar eroarea relativă devine semnificativă cu mult înainte ca frecvența de tăiere a circuitului să fie atinsă (pentru referință, în transportorul de curent serial CCII01 IC, este de 100 MHz pentru toți coeficienții matricei) [7] ] .

În schema propusă de Sedra și Smith, toți curenții Ix, Iy, Iz curg în terminalele corespunzătoare; direcția tuturor curenților poate fi inversată prin înlocuirea tranzistoarelor cu altele complementare, iar tensiunea de alimentare negativă cu una pozitivă [5] . Un transportor bidirecțional care funcționează atât cu curenți de intrare, cât și de ieșire poate fi creat prin combinarea a două conducte într-un circuit conform schemei din 1968 - una (inferioară) pentru curenții de intrare, cealaltă (superioară) pentru curenții de ieșire [5] și completarea circuitului cu un circuit de pornire [8] . În toate variantele, circuitul poate avea nu una, ci mai multe ieșiri Z 1 , Z 2 și așa mai departe; coeficienții de transfer de curent pentru fiecare dintre ieșiri pot fi ajustați prin reglarea oglinzii de curent [1] .

Cedra și Smith au propus o serie de aplicații promițătoare ale noului circuit în dispozitive analogice (convertoare curent sau tensiune-curent, amplificatoare electronice de control al câștigului și așa mai departe), dar s-au concentrat în mod special pe posibilitatea de a crea o familie fundamental nouă de viteze rapide. CI logice [1] . Trecerea de la comutarea tensiunilor și curenților la comutarea numai a curenților la tensiuni constante pe conductorii de semnal a promis o îmbunătățire fundamentală a performanței [1]  - dar ideile lui Sedra și Smith nu au prins rădăcini în electronica digitală. Singura producție de microelectronice din Canada nu a putut sau nu a vrut să pună în aplicare propunerea inventatorilor [9] . Timp de aproape două decenii, nu a fost utilizat pe scară largă în circuitele analogice, unde amplificatoarele operaționale clasice cu feedback de tensiune au dominat.

Transportor curent de a doua generație

Tot în 1968 [10] , Cedra și Smith au îmbunătățit modelul conductei făcând intrarea Y controlabilă doar prin tensiune. Lucrarea, în care autorii au introdus conceptul de „linie de asamblare a doua generație” (CCII), a fost publicată abia în februarie 1970; diagrama schematică a noului transportor a fost publicată mai târziu - în 1970 era un design pur abstract [10] . Numele a fost fixat în literatură, în ciuda criticilor autorilor de mai târziu, care consideră nejustificată împărțirea conductelor în „generații” [11] .

Circuitul real CCII pe tranzistoarele bipolare este un emițător de urmărire complementar, push-pull ( amplificator de curent paralel ), în brațele de putere superioare și inferioare ale cărora sunt construite oglinzi de curent simetrice . Intrarea follower este o intrare potențială a conductei Y, ieșirea follower este o intrare-ieșire curent bidirecțională X. Curentul diferențial de ieșire al oglinzilor de curent este transmis la al treilea pin de curent Z. În cea mai comună topologie CCII+ fără inversare, tensiunile și curenții pinii sunt legați de relație

 [12] ;

în topologia inversă CCII-:

 [12]

Diferența fundamentală dintre circuitul de a doua generație și primul este în rezistența de intrare mare (teoretic, infinit de mare) a intrării de control Y și, ca urmare, în comoditatea împerecherii circuitului de curent cu sursele de tensiune anterioare . CCII este mai flexibil decât predecesorul său și, prin urmare, mai valoros pentru dezvoltatori [13] .

Implementare practică

Până în 1990, conform calculelor lui Sedra, cercetătorii publicaseră mai mult de o sută de lucrări despre transportoarele actuale [15] ; până în 2015, numărul publicațiilor a depășit o mie [16] . În anii 1980, cercetătorii au demonstrat că un element care nu este încă produs în masă poate fi folosit ca miez pentru construirea tuturor tipurilor de surse stabile de curent și tensiune, orice funcții liniare și multe neliniare, folosind în același timp un număr mai mic de componente pasive decât un op-amp clasic [17] . Sedra și Smith au încetat lucrările la conducte în 1970 [18] , dar adepții lor au inventat cel puțin zece opțiuni noi „pe vârful unui stilou”: „conducta de generație a treia” (CCIII, 1995), „conducta diferențială” (DVCC), „conveior universal” (UCC) și așa mai departe [11] . În același timp, timp de două decenii, conducta actuală a rămas o abstractizare academică care a existat doar sub formă de machete de tranzistoare discrete sau imitații ale acestora bazate pe amplificatoare operaționale clasice cu feedback de tensiune [19] [20] .

În majoritatea acestor circuite, treapta tranzistorului de ieșire, care forma curentul de ieșire Z, era controlată de circuitele de alimentare ale amplificatorului operațional [20] . Datorită faptului că acest amplificator operațional a fost pornit în modul repetitor, frecvența de tăiere a conductei a coincis cu frecvența de amplificare unitară a amplificatorului operațional [8] . Un astfel de transportor, pornit în modul de amplificare a tensiunii, a fost întotdeauna mai rapid decât amplificatorul operațional folosit în el [8] . Acest lucru nu a fost suficient pentru a fi pus în practică: a fost necesar să se treacă de la machete la producția în serie de circuite integrate ieftine, iar în anii 1970 și 1980 a fost imposibil. Tehnologiile acelor ani nu permiteau crearea de tranzistori pnp de înaltă frecvență pe un cip; Tranzistoarele pnp cu latura lentă , disponibile pentru proiectanții de circuite integrate în anii 1970, nu erau potrivite pentru circuitele integrate analogice rapide [15] [21] .

Amplificatorul operațional cu feedback de curent (CTF) de la Comlinear CLC102 a fost lansat în 1983 ca primul IC produs în masă bazat pe o conductă curentă; era un ansamblu hibrid voluminos și costisitor bazat pe tranzistoare discrete [22] . Circuitele integrate semiconductoare seriale bazate pe transportoare de curent de mare viteză au apărut pe piață abia în 1987, după lansarea industrială a tehnologiei silicon-on-insulator , care a făcut posibilă formarea de tranzistori pnp de înaltă frecvență pe un cip [21] [com. 2] . În aceste CI (TOC OU cu corecție încorporată), numai intrările X și Y ale transportorului erau disponibile utilizatorului. Primul circuit integrat de transport de curent dedicat, Phototronics PA630, a fost lansat în 1989 [23] [comm. 3] . Este paradoxal că până la acest moment primul IC a fost deja vândut activ pe piață, ceea ce a oferit utilizatorului acces la toate cele trei ieșiri ale transportorului actual - un op-amp TOS cu corecție externă Analog Devices AD844 - dar comunitatea științifică a făcut-o. nu știu despre asta [12] . Producătorul, care a promovat AD844 ca un amplificator operațional cu o rată de slew ultra-înalta, a ales să nu-și facă publicitate capabilităților de „pipeline”; cercetătorii le-au acordat atenţie abia în 1991 [12] [comm. 4] . Burr -Brown , care a lansat un IC similar OPA660 în 1990, nu a folosit nici termenul „conductă curentă”: în documentația Burr-Brown, conducta a fost numită „tranzistor de diamant”, ing.  tranzistor diamant [24] .

Până în 2015, transportoarele actuale au fost folosite în sute de modele de amplificatoare operaționale TOC comerciale, dar la începutul lui 2015, doar șase serii lansate vreodată oferă utilizatorului acces la toate ieșirile de semnal ale transportorului încorporat. Toate sunt realizate folosind tehnologia bipolară [25] : pe lângă AD844, OPA660 și PA630 menționate mai sus, acestea sunt CCII01 de la LTP Electronics (1993 [26] ) și OPA2662 (1991) și OPA860 (OPA660 îmbunătățit, 1990 din Texas ) Instruments , care a achiziționat Burr-Brown [ 27] . După izbucnirea interesului producătorilor la începutul anilor 1980 și 1990, nu a apărut nicio serie nouă [28] . Wai-Kai Chen, profesor la Universitatea Illinois din Chicago , a comentat despre acest lucru în 2009 că „până când transportoarele curente de mare viteză vor deveni [cu adevărat] disponibile pe scară largă, acestea vor fi folosite doar în laboratoare și nu în practică” [21]. ] .

Vezi și

Comentarii

  1. ↑ Pentru o descriere detaliată, a se vedea Smith, KC și Sedra, A. A New Simple Wide-Band Current-Measuring Device // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 1969. - Nr. iunie 1969. - P. 125-128.
  2. ↑ Pentru detalii despre evoluția acestor tehnologii, a se vedea Kester, W. High Speed ​​​​Op Amps // Op Amp Applications Handbook / ed. Jung, W. - Newnes, 2005. - P. 97-99. — 878p. - (seria Analog Devices). — ISBN 9780750678445 .
  3. ↑ Vezi Wadsworth, DC Accurate current conveyor topology and monolithic implementation // IEE Proceedings G (Circuits, Devices and Systems) pentru o descriere detaliată. - 1990. - Vol. 137, nr 2. - P. 88-94. — ISSN 0956-3768 .
  4. ↑ Pentru o descriere detaliată a lucrării cercetătorilor independenți, a se vedea Svoboda, J. et al. Aplicații ale unui transportor curent disponibil comercial // International Journal of Electronics. - 1991. - Vol. 70, nr 1. - P. 159-164. - doi : 10.1080/00207219108921266 .

Note

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Smith, KC și Sedra, A. The Current Conveyor - A New Circuit Building Block // Proceedings of the IEEE / Proceedings Letters. - 1968. - Nr. august 1968. - P. 1368-1369.
  2. ↑ Sedra, 1990 , p. 78.
  3. ↑ 1 2 Senani, 2015 , p. patru.
  4. ↑ Sedra, 1992 , p. 96.
  5. ↑ 1 2 3 4 Senani, 2015 , p. 6.
  6. ↑ Senani, 2015 , p. 6. În schema CCI alternativă, cea din ultima linie este înlocuită cu una în minus.
  7. ↑ Soliman, 1998 , p. 134.
  8. ↑ 1 2 3 Wai-Kai Chen, 2009 , p. 3-15.
  9. ↑ Sedra, 1992 , p. 102.
  10. ↑ 1 2 Smith, KC și Sedra, A. Un transportor curent de a doua generație și aplicațiile sale // IEEE Transactions on Circuit Theory. - 1970. - Nr. februarie 1970. - P. 132-134.
  11. ↑ 1 2 Dostal, T. et al. Despre transportoare de curent multiport // Proceedings of the 4th WSEAS International Conference on Applications of Electrical Engineering (AEE'05). Praga, Cehia, 13-15 martie 2005. - P. 261-264.
  12. ↑ 1 2 3 4 Senani, 2015 , p. 7.
  13. ↑ Wai-Kai Chen, 2009 , p. 3-12.
  14. ↑ Senani, 2015 , p. 26.
  15. ↑ 1 2 Sedra, 1990 , p. 79.
  16. ↑ Senani, 2015 , pp. 3, 13.
  17. ↑ Senani, 2015 , pp. 3, 7.
  18. ↑ Sedra, 1990 , p. 80.
  19. ↑ Senani, 2015 , pp. 7-8.
  20. ↑ 1 2 Wai-Kai Chen, 2009 , p. 3-14.
  21. ↑ 1 2 3 Wai-Kai Chen, 2009 , p. 3-16.
  22. ↑ Taranovich, S. Analog: înapoi în viitor, partea 3  // Electronic Design News. - 2012. - Nr 02 decembrie 2012 . Arhivat din original pe 12 februarie 2015.
  23. ↑ Senani, 2015 , pp. 7, 50.
  24. ↑ Lehmann, K. Diamond Transistor OPA660 // Burr-Brown Application Bulletin. - 1990. - Nr SBOA071.
  25. ↑ Senani, 2015 , p. 33.
  26. ↑ Toumazou, C. Current-feedback versus voltage feedback amplifiers: history, insight and relationships // ISCAS'93. Simpozion internațional IEEE privind circuite și sisteme. - 1993. - Vol. 2. - P. 1046 - 1049.
  27. ↑ Senani, 2015 , p. 55. Toate schemele de mai sus sunt discutate în detaliu în Capitolul 3.3.
  28. ↑ Senani, 2015 , pp. 33, 55.

Surse