Proudový dopravník

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 5. srpna 2019; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Proudový  konvejor ( CC) je abstraktní model univerzálního třívýstupového elektronického zařízení pro zpracování analogových signálů z hlediska proudů a napětí , idealizovaný analog tranzistoru . Dva vstupy proudového konvejoru (analogy hradla a zdroje tranzistoru nebo emitoru s efektem pole a báze bipolárního tranzistoru ) pracují s proudy a napětím a přenášejí ( anglicky zprostředkovávají , odtud konvejor ) proud na výstup dopravníku. (analog kolektoru nebo kolektoru), který má nekonečně velkou výstupní impedanci  . Teoreticky jsou zařízení na proudových konvejorech schopna vykonávat všechny funkce, které vykonávají klasické operační zesilovače (op-amp) s napěťovou zpětnou vazbou , zpravidla s lepším výkonem, přesností as menším počtem externích součástek. V praxi nemohly proudové konvejory konkurovat klasickým operačním zesilovačům a našly jen omezené využití . V letech 1988-2015 průmysl vyrobil pouze šest integrovaných obvodů této třídy . Nejrozšířenější oblastí použití proudového konvejoru byly vstupní stupně vysokorychlostních operačních zesilovačů s proudovou zpětnou vazbou (op-amp TOS) . Tyto zesilovače mají prakticky neomezenou rychlost přeběhu při mezních frekvencích nad 1 GHz.


Proudový konvejor první generace

V roce 1968 čerstvý absolvent Torontské univerzity Abel Sedra a jeho vedoucí Kenneth Smith navrhli koncept  „ proudového přenosu “ a jeho praktickou implementaci – pětitranzistorový obvod, jakýsi idealizovaný analog bipolární npn- tranzistor [1] . Prototyp proudového konvejoru se podle Sedriných memoárů zrodil na podzim roku 1966 [2] , během diplomové práce na praktickém úkolu - vytvoření teplotně kompenzovaného zdroje stabilního proudu [3] . Po odladění tohoto zařízení Cedra a Smith zjednodušili obvod tím, že vyrobili tříkolíkový proudový konvejor z jednokolíkového zdroje proudu [3] . Prvním praktickým zařízením na jeho základě byl širokopásmový laboratorní proudový zesilovač s pracovním rozsahem od stejnosměrného proudu do 100 MHz [4] [comm. 1] . Poté, co Cedra a Smith publikovali popis dopravníku druhé generace, se obvod z roku 1968 stal známým jako proudový dopravník první generace [5] (CCI+; znaménko plus znamená jednosměrné řízení a řízené proudy).

V nejjednodušším proudovém potrubí je vstup Y řízen napětím Vy, vstup X proudem Ix. Díky opakovači (T1, T2) napětí na vstupu X opakuje napětí na vstupu Y; díky proudovému zrcadlu (T3, T4, T5) proudy tekoucí do vstupu Y a vstupu Z opakují proud Ix bez ohledu na napětí Vy [1] [5] . V závislosti na volbě "souřadnicového systému" obvod pracuje buď jako tranzistorový analog v režimu se společnou bází , nebo jako tranzistorový analog v režimu se společným kolektorem [1] . V maticovém zápisu je jeho chování popsáno rovnicí

 [6]

Koeficienty přenosu napětí a proudu skutečných obvodů se nevyhnutelně liší od ideálního modelu v důsledku Earleyova jevu , nenulového vnitřního odporu pn přechodů. Cedra a Smith navrhli kompenzovat chybu, kterou generovali, pomocí vylepšených proudových zrcadel a pozitivní zpětné vazby [1] . Při vysokých frekvencích se odchylka od ideálu zvyšuje a relativní chyba se stává významnou dlouho před dosažením mezní frekvence obvodu (pro referenci, v IC sériového proudového konvejoru IC CCII01 je to 100 MHz pro všechny maticové koeficienty) [7 ] .

Ve schématu navrženém Sedrou a Smithem tečou všechny proudy Ix, Iy, Iz do odpovídajících svorek; směr všech proudů lze invertovat výměnou tranzistorů za komplementární a záporné napájecí napětí kladným [5] . Obousměrný dopravník pracující s příchozími i odchozími proudy lze vytvořit spojením dvou potrubí v jednom okruhu podle schématu z roku 1968 - jedno (dolní) pro příchozí proudy, druhé (horní) pro odchozí proudy [5] a doplněním okruhu o spouštěcí obvod [8] . Ve všech variantách může mít obvod ne jeden, ale několik výstupů Z 1 , Z 2 a tak dále; koeficienty přenosu proudu pro každý z výstupů lze upravit nastavením proudového zrcadla [1] .

Cedra a Smith navrhli řadu slibných aplikací nového obvodu v analogových zařízeních (převodníky proudu nebo napětí na proud, elektronické zesilovače pro řízení zesílení atd.), ale zaměřili se konkrétně na možnost vytvoření zásadně nové rodiny rychlých logické integrované obvody [1] . Přechod od spínání napětí a proudů ke spínání pouze proudů při konstantních napětích na signálových vodičích sliboval zásadní zlepšení výkonu [1]  – myšlenky Cedry a Smithe se však v digitální elektronice neprosadily. Jediná mikroelektronická výroba v Kanadě nemohla nebo nechtěla realizovat návrh vynálezců [9] . Téměř dvě desetiletí nebyl široce používán v analogových obvodech, kde dominovaly klasické operační zesilovače s napěťovou zpětnou vazbou .

Proudový dopravník druhé generace

Také v roce 1968 [10] Cedra a Smith zlepšili model potrubí tím, že vstup Y byl ovladatelný pouze napětím. Dílo, v němž autoři představili koncept „montážní linky druhé generace“ (CCII), vyšlo teprve v únoru 1970; schéma nového dopravníku bylo zveřejněno později - v roce 1970 se jednalo o čistě abstraktní návrh [10] . Tento název byl v literatuře zafixován, a to i přes kritiku pozdějších autorů, kteří považují dělení ropovodů na „generace“ za neopodstatněné [11] .

Obvodový skutečný CCII na bipolárních tranzistorech je push-pull, komplementární emitorový sledovač ( paralelní proudový zesilovač), v jehož horním a spodním výkonovém rameni jsou zabudována symetrická proudová zrcadla . Vstupem sledovače je potenciální potrubní vstup Y, výstupem sledovače je obousměrný proudový vstup-výstup X. Výstupní diferenciální proud proudových zrcadel je přenášen na třetí proudový pin Z. V nejběžnější neinvertující topologii CCII+ je napětí a proudy kolíků souvisí vztahem

 [12] ;

v invertující topologii CCII-:

 [12]

Zásadní rozdíl mezi obvodem druhé generace a obvodem první je ve vysokém (teoreticky nekonečně vysokém) vstupním odporu řídicího vstupu Y a v důsledku toho v pohodlí spárování proudového obvodu s předchozími zdroji napětí . CCII je flexibilnější než jeho předchůdce, a proto cennější pro vývojáře [13] .

Praktické provedení

Do roku 1990, podle výpočtů Sedry, výzkumníci publikovali více než sto prací o proudových dopravnících [15] ; do roku 2015 přesáhl počet publikací tisíc [16] . Již v 80. letech vědci dokázali, že prvek, který se ještě sériově nevyrábí, lze použít jako jádro pro stavbu všech typů zdrojů stabilního proudu a napětí, libovolných lineárních a mnoha nelineárních funkcí, a to při použití menšího počtu pasivní součástky než klasický operační zesilovač [ 17] . Sedra a Smith zastavili práce na potrubí v roce 1970 [18] , ale jejich následovníci vynalezli nejméně deset nových možností „na špičce pera“: „potrubí třetí generace“ (CCIII, 1995), „diferenční potrubí“ (DVCC), „univerzální dopravník“ (UCC) a tak dále [11] . Současné potrubí přitom po dvě desetiletí zůstávalo akademickou abstrakcí, která existovala pouze ve formě maket diskrétních tranzistorů nebo jejich imitací založených na klasických napěťových zpětnovazebních operačních zesilovačích [19] [20] .

Ve většině těchto obvodů byl výstupní tranzistorový stupeň, který tvořil výstupní proud Z, řízen napájecími obvody operačního zesilovače [20] . Vzhledem k tomu, že tento operační zesilovač byl zapnut v režimu opakovače, mezní frekvence potrubí se shodovala s frekvencí jednotkového zisku operačního zesilovače [8] . Takový dopravník, zapnutý v režimu napěťového zesílení, byl vždy rychlejší než operační zesilovač v něm použitý [8] . To k uvedení do praxe nestačilo: bylo nutné přejít od maket k sériové výrobě levných integrovaných obvodů a v 70. a 80. letech to bylo nemožné. Technologie těch let neumožňovaly vytvoření vysokofrekvenčních pnp tranzistorů na čipu; pomalé postranní pnp tranzistory , dostupné návrhářům integrovaných obvodů v 70. letech, nebyly vhodné pro rychlé analogové integrované obvody [15] [21] .

Comlinear's CLC102 Current Feedback Operational Amplifier (CTF) byl vydán v roce 1983 jako první sériově vyráběný integrovaný obvod založený na proudovém potrubí; šlo o objemnou a drahou hybridní sestavu založenou na diskrétních tranzistorech [22] . Sériové polovodičové integrované obvody založené na vysokorychlostních proudových konvejorech se objevily na trhu až v roce 1987, po průmyslovém uvedení technologie křemíku na izolátoru , která umožnila vytvářet vysokofrekvenční pnp tranzistory na čipu [21] [comm. 2] . V těchto IO (TOC OU s vestavěnou korekcí) byly uživateli k dispozici pouze vstupy X a Y dopravníku. První vyhrazený proudový konvejor IC, Phototronics PA630, byl uveden na trh v roce 1989 [23] [comm. 3] . Je paradoxní, že v této době se již na trhu aktivně prodával první IC, který uživateli poskytoval přístup ke všem třem výstupům proudového konvejoru - operační zesilovač TOS s externí korekcí Analog Devices AD844 - ale vědecká komunita ano. nevím o tom [12] . Výrobce, který propagoval AD844 jako operační zesilovač s ultra-vysokou rychlostí přeběhu, se rozhodl nepropagovat jeho "pipelining" schopnosti; badatelé se jim věnovali až v roce 1991 [12] [komunik. 4] . Burr -Brown , který vydal podobný IC OPA660 v roce 1990, také nepoužíval termín "aktuální potrubí": v dokumentaci Burr-Brown bylo potrubí nazýváno "diamantový tranzistor", eng.  diamantový tranzistor [24] .

Do roku 2015 byly proudové konvejory používány ve stovkách modelů komerčních operačních zesilovačů TOC, ale na začátku roku 2015 pouze šest vydaných sérií poskytuje uživateli přístup ke všem signálovým výstupům vestavěného dopravníku. Všechny jsou vyrobeny bipolární technologií [25] : kromě zmíněných AD844, OPA660 a PA630 jde o CCII01 od LTP Electronics (1993 [26] ) a OPA2662 (1991) a OPA860 (vylepšené OPA660, 1990) od Texasu Instruments , která získala Burr-Brown [27] . Po vypuknutí zájmu výrobců na přelomu 80. a 90. let se žádná nová řada neobjevila [28] . Wai-Kai Chen, profesor na University of Illinois v Chicagu , k tomu v roce 2009 poznamenal, že „dokud nebudou vysokorychlostní proudové dopravníky [skutečně] široce dostupné, budou používány pouze v laboratořích, nikoli v praxi“ [21 ] .

Viz také

Komentáře

  1. ↑ Podrobný popis viz Smith, KC a Sedra, A. A New Simple Wide-Band Current-Measuring Device // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 1969. - č. červen 1969. - S. 125-128.
  2. ↑ Podrobnosti o vývoji těchto technologií viz Kester, W. High Speed ​​​​Op Amps // Op Amp Applications Handbook / ed. Jung, W. - Newnes, 2005. - S. 97-99. — 878p. - (řada Analog Devices). — ISBN 9780750678445 .
  3. ↑ Podrobný popis viz Wadsworth, DC Přesná topologie proudového dopravníku a monolitická implementace // IEE Proceedings G (Circuits, Devices and Systems). - 1990. - Sv. 137, č. 2. - S. 88-94. — ISSN 0956-3768 .
  4. ↑ Podrobný popis v práci nezávislých badatelů viz Svoboda, J. et al. Aplikace komerčně dostupného proudového konvejoru // International Journal of Electronics. - 1991. - Sv. 70, č. 1. - S. 159-164. - doi : 10.1080/00207219108921266 .

Poznámky

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Smith, KC a Sedra, A. The Current Conveyor - A New Circuit Building Block // Proceedings of the IEEE / Proceedings Letters. - 1968. - Č. srpna 1968. - S. 1368-1369.
  2. ↑ Sedra, 1990 , s. 78.
  3. ↑ 1 2 Senani, 2015 , str. čtyři.
  4. ↑ Sedra, 1992 , str. 96.
  5. ↑ 1 2 3 4 Senani, 2015 , str. 6.
  6. ↑ Senani, 2015 , str. 6. V alternativním schématu CCI je jednička na posledním řádku nahrazena mínusem.
  7. ↑ Soliman, 1998 , str. 134.
  8. ↑ 1 2 3 Wai-Kai Chen, 2009 , str. 3-15.
  9. ↑ Sedra, 1992 , str. 102.
  10. ↑ 1 2 Smith, KC a Sedra, A. Proudový dopravník druhé generace a jeho aplikace // Transakce IEEE na teorii obvodů. - 1970. - Č. únor 1970. - S. 132-134.
  11. ↑ 1 2 Dostál, T. a kol. On Multi-port Current Conveyors // Sborník příspěvků ze 4. mezinárodní konference WSEAS o aplikacích elektrotechniky (AEE'05). Praha, Česká republika, 13.-15. března 2005. - S. 261-264.
  12. ↑ 1 2 3 4 Senani, 2015 , str. 7.
  13. ↑ Wai-Kai Chen, 2009 , str. 3-12.
  14. ↑ Senani, 2015 , str. 26.
  15. ↑ 1 2 Sedra, 1990 , str. 79.
  16. ↑ Senani, 2015 , pp. 3, 13.
  17. ↑ Senani, 2015 , pp. 3, 7.
  18. ↑ Sedra, 1990 , s. 80.
  19. ↑ Senani, 2015 , pp. 7-8.
  20. ↑ 1 2 Wai-Kai Chen, 2009 , str. 3-14.
  21. ↑ 1 2 3 Wai-Kai Chen, 2009 , str. 3-16.
  22. ↑ Taranovich, S. Analog: Back to the future, Part 3  // Electronic Design News. - 2012. - č. 02. prosince 2012 . Archivováno z originálu 12. února 2015.
  23. ↑ Senani, 2015 , pp. 7, 50.
  24. ↑ Lehmann, K. Diamond Transistor OPA660 // Burr-Brown Application Bulletin. - 1990. - Č. SBOA071.
  25. ↑ Senani, 2015 , str. 33.
  26. ↑ Toumazou, C. Proudová zpětná vazba versus zesilovače se zpětnou vazbou napětí: historie, náhled a vztahy // ISCAS'93. Mezinárodní symposium IEEE o obvodech a systémech. - 1993. - Sv. 2. - S. 1046 - 1049.
  27. ↑ Senani, 2015 , str. 55. Všechna výše uvedená schémata jsou podrobně diskutována v kapitole 3.3.
  28. ↑ Senani, 2015 , pp. 33, 55.

Zdroje