Источники стабильного тока, напряжения и опорного напряжения

Источник стабильного тока.

Под источником стабильного тока в данном случае понимается источник, который обеспечивает ток в нагрузке, не зависящий от падения напряжения на ней. Такое определение позволяет дать термину расширенное толкование как источника, который вырабатывает изменяющийся во времени (переменный) ток, величина которого, например, остается постоянной в течение определенных отрезков времени, или переменный ток с неизменной амплитудой.

Для получения тока со стабильным значением в источниках применяют либо биполярные транзисторы (БТ) в схеме с ОБ, работающие в активном режиме, либо полевые транзисторы (ПТ), использующие пологую часть выходной ВАХ. В обоих случаях диапазон допустимых напряжений и на нагрузке ограничен потенциалом базы для БТ или потенциалом затвора для ПТ. Для ПТ диапазон допустимых значений и уменьшается на величину порогового напряжения (С/_Зи пор) (см. п. 6.2).

Для многих схем источников тока, а также большинства схем дифференциальных усилителей с активной нагрузкой основой является схема токового зеркала (рис. 8.1 без сопротивления Л_х). При полной идентичности транзисторов УТ_г и УТ₂ ток, текущий через левую часть схемы, является зеркальным отражением тока в правой части, поэтому схема и называется токовым зеркалом. На практике в большинстве случаев влиянием базового тока можно пренебречь и считать, что коллекторные токи транзисторов /_К1 и /_К2 равны, т. е. /_К1 = /_К2 ~ ~ /₂.

В реальных ИС параметры транзисторов различаются, поэтому в паре транзисторов токового зеркала токи коллекторов не будут точно равны. В результате появится небольшое напряжение смещения (единицы мВ) пары транзисторов.

На рис. 8.1 показана схема простого источника стабильного тока, построенная на основе токового зеркала, в котором ток равен.

где ?— постоянное положительное напряжение питания схемы (ЭДС источника питания), 17_вэ — напряжение между базой и эмиттером транзисторов. Ток /₂ в цепи коллектора второго транзистора равен /₂ = /_К2 = /_К1 ~ поэтому расчет этой схемы достаточно прост. При заданном токе источника /₂ и и_Бэ и известной (выбранной) ЭДС источника питания У из (8.1) определяется сопротивление Д. Следует обратить внимание, что ток /₂ остается приблизительно постоянным, равным заданному значению в том диапазоне значений (/_кэ, при котором транзистор УТ₂ находится в активном режиме вплоть до напряжения пробоя коллекторного перехода икэпроб (Р^ис— 8−2). Если принять (7_нас ~ 0,2 В и.

Рис. 8.1.

Рис. 8.2.

и ко «роб ⁼ 50 В* ^т0 область напряжений и_К2 от +0,2 до +50 В составляет рабочий диапазон источника постоянного тока.

Область изменения напряжений и_кэ, в которой схема работает практически как источник стабильного тока, иногда называется диапазоном линейного изменения напряжения [37].

На рис. 8.2 сплошной линией показана как выходная характеристика источника тока (схема на рис. 8.1), так и характеристика идеального источника стабильного тока (штрихпунктирная прямая). ВАХ источника тока /₀ = /_К2 = /(С/_кэ) в диапазоне линейного изменения напряжения имеет постоянный наклон. В этой области производная = ?_КЭ2 определяет динамическую выходную проводимость источника стабильного тока, а обратная величина l/g = И является динамическим выходным сопротивлением. Идеальный источник стабильного тока имеет нулевую выходную проводимость? = #₀ = 0. ВАХ источника тока /₀ = пи₀) или /_К2 — /<�С/кэ) позволяет определить типичные значения для выходной проводимости:

где #_КЭ2 — динамическая проводимость между коллектором и эмиттером транзистора УТ₂, и_А — напряжение Эрли (см. гл. 4), т. е. величина, обратная коэффициенту модуляции ширины базы для УТ₂. Из формулы (8.2) следует, что для относительного изменения тока с1/_К2//_К2 = 61₀/1₀ = с11/_КЭ2/1/_А при изменении выходного напряжения на 1 В (сШ₀ = с!и_кэ2 = 1 В) имеем.

Поскольку в рассматриваемой на рис. 8.1 схеме ток на верхнем незаземленном выводе направлен внутрь схемы источника тока, то данный тип устройств относится к источникам отрицательной полярности. В обратном случае, когда ток /₂ = /₀ направлен в противоположную сторону, потенциал в коллекторной цепи транзистора УТ, должен быть противоположной полярности, т. е. —.

Для многих применений ИС необходимо иметь источник тока с симметричным диапазоном линейного изменения напряжения, когда выходное напряжение имеет как положительные, так и отрицательные значения. В этом случае схема будет аналогична показанной на рис. 8.1, но вместо заземления эмиттеров необходимо подать на них отрицательный потенциал.

Схема источника тока для низких уровней тока по сравнению с рассмотренной включает сопротивление Я₂ в эмиттерной цепи транзистора УТ,.

Разработано достаточно много различных схем источников стабильного тока, которые являются значительно более сложными, но при этом имеют значительные преимущества по сравнению с простыми схемами токового зеркала. В качестве примера на рис. 8.3 приведена схема из нескольких источников тока отрицательной полярности (групповая схема). Здесь транзистор УТ₂ с резистором Я₂ служит опорным источником тока для транзисторов УТ₃…УТ_б. Транзистор УТ, улучшает стабильность опорного тока, поскольку он уменьшает различие токов /, через резистор Я, и /₂ через транзистор УТ₂ [37]. Если размеры эмиттеров транзисторов УТ₂…УТ₆ подобраны таким образом, что плотности тока в них одинаковы, то и падения напряжения на резисторах Я₂…Я_в будут одинаковыми для всех указанных транзисторов.

В рассматриваемой схеме /₃Я₃ = /₄Я₄ = /₅Я₅ = /₆Я₆ = /, Я₂, т. е. токи обратно пропорциональны эмиттерным сопротивлениям.

Чтобы уменьшить площадь, занимаемую транзисторами на кристалле ИС, желательно не выравнивать размеры эмиттеров. Это особенно важно при больших изменениях токов. Когда размеры транзисторов не обеспечивают равенство плотностей тока в них, то напряжения 1/_БЭ транзисторов будут различаться. Для компенсации этого расхождения необходимо изменить номиналы сопротивлений в цепях эмиттеров.

Рис. 8.3.

Полевые транзисторы (как с управляющими электрическими переходами (ПТУП), так и МДП (МОП)-транзисторы) широко используются в ИС как стабилизаторы и источники стабильного тока. ПТУП может быть использован в качестве стабилизатора или источника тока, если он включается как диод с закороченным на исток затвором. В этом случае ВАХ такого ПТУП в диодном включении является, по сути дела, токовой характеристикой /_си = /((/_си) при ?/_зи = 0. При и_си > II^ (см. гл. 6) ток /_си насыщается, т. е. при увеличении напряжения и_си он изменяется весьма незначительно вплоть до напряжения пробоя стокового перехода. Таким образом, ВАХ ПТ в области насыщения также формирует диапазон линейного изменения напряжения подобно характеристике, показанной на рис. 8.2. Подобно ПТУП в качестве стабилизаторов тока можно использовать и МОП-транзисторы в режиме обеднения. Существует множество схем источников тока на МОП-транзисторах, похожих на схемы рассмотренных источников на ВТ.

В различных усилительных, цифровых логических и аналоговых ИС источники тока часто используются в качестве активной нагрузки. Например, токовое зеркало часто применяют как активную нагрузку в дифференциальных усилителях на БТ и ПТ (см. п. 8.3).