Генератор на транзисторе. Автоколебания. Генераторы стабильного микротока на кремниевых биполярных транзисторах

Генераторы стабильного тока (ГСТ) должны обеспечивать неизменный выходной ток при изменении нагрузки R н .

В простейшем случае эта задача может быть решена с помощью токозадающего резистора R(рис. 2.4). В этой схеме реальная нагрузка условно показана как резистор R н . Ток в нагрузке i н:

Если R >> R н, то ток I н слабо зависит от изменений сопротивления нагрузки. Действительно, дифференцируя (2.1) получим

Следовательно, увеличивая R, можно уменьшить изменения тока нагрузки до требуемой величины. Однако схеме на рис. 2.4 присущ недостаток – большая часть мощности, поступающей от источника питания, выделяется в резисторе R и не поступает в нагрузку R н.

Значительно удобнее вместо резистора R использовать нелинейные элементы, обладающие малым сопротивлением по постоянному току R0 = U / i и большим дифференциальным R i = DU / DI, например, транзисторы.

На рис. 2.5, а приведена схема простейшего ГСТ на биполярном транзисторе и его эквивалентная схема (рис. 2.5, б ). В качестве стабилизирующего элемента используется выходная цепь транзистора (промежуток эмиттер-коллектор), имеющая вольтамперную характеристику требуемого вида (рис. 2.6).

Рис. 2.5 Рис. 2.6

Рабочая точка (ток I н) определяется пересечением характеристики и нагрузочной линии (точка А). При изменении R н рабочая точка перемещается по характеристике. Например, при уменьшении сопротивления нагрузки на величину DR н, рабочая точка переместится в точку В, что приведет к увеличению тока нагрузки на (рис. 2.6). Чем больше выходное дифференциальное сопротивление транзистора R i = Du / Di(чем более горизонтально идет характеристика), тем меньше изменение тока нагрузки I н.

Так как на участке стабилизации (пологая область) характеристика транзистора аппроксимируется выражением

i к = I 0 + u кэ / R i , (2.3)

легко получить

DI н / I н = DR н / R i . (2.4)

Таким образом, в транзисторном стабилизаторе стабилизация тока определяется величиной R i (эквивалент Rна рис. 2.4), которая может достигать десятков и сотен килоом.

Величину тока нагрузки I н можно задавать, изменяя режим работы транзистора по постоянному току с помощью резисторов R б1 иR б2 . Часто в цепь эмиттера транзистора включают резистор R э, улучшающий стабильность и увеличивающий сопротивление R i .

На рис. 2.7 приведена распространенная схема ГСТ на полевом транзисторе с управляющим переходом. Она удобна тем, что является двухполюсником и напряжение U зи формируется за счет автоматического смещения U зи = i с R и. В частном случае при R и = 0 и u зи = 0, I н = I C макс.

Широкое распространение в аналоговых ИС получили стабилизаторы тока, называемые токовыми зеркалами или отражате­лями тока. Схема рис. 2.8 отличается от схемы рис. 2.5 способом задания режима транзистора VТ2. Вместо делителя напряжения R б1 – R б2 в ней используется нелинейный делитель, составленный из резистора R0 и транзистора VT1, включенного в диодном режиме (в прямом направлении).

Ток I о в левой части схемы равен

. (2.5)

где U* – прямое напряжение, устанавливающееся на эмиттерном переходе транзистора VT1 под действием тока I 0 (напомним, что для кремниевых транзисторов U* = 0,6...0,8 В).

Ток базы второго транзистора значительно (в b раз) меньше тока I 0 и может не учитываться.

Одновременно напряжение U* поступает на базу транзистора VТ2. Оба транзистора работают в активном режиме и, если они одинаковы, то I н = I 0 (то, что для VТ1 U кб = 0, а для VТ2 U кб > 0 в активном режиме влияет слабо), причем это равенство не нарушается при различных дестабилизирующих воздействиях. Отметим, что «токовые зеркала» особенно эффективны именно в микроэлектронном исполнении, обеспечивающем идентичность параметров транзисторов, одинаковые температурные зависимости, одинаковое «старение» и т. д. Существуют также схемы, в которых «отражение тока» происходит с изменением масштаба. С этой целью в цепи эмиттеров включают резисторыR Э1 ≠R Э1 .

Рассматриваемые разделы

Схемы цепей питания биполярных резисторов…………………………………………………………………………………..2

Схемы цепей питания полевых транзисторов……………………………………………………………………………………..5

Составные транзисторы…………………………………………………………………………………………………………………………6

Генераторы стабильного тока (ГСТ)………………………………………………………………………………………………………6

Генераторы стабильного тока на полевых транзисторах……………………………………………………………………8

Генераторы стабильного тока на полевых и биполярных транзисторах…………………………..………………9

Источники опорного напряжения……………………………………………………………………………………………………….10

Однокаскадные усилители……..…………………………………………………………………………………………………………..11

Двухкаскадные усилители….……………………………………………………………………………………………………………….13

Трехкаскадные усилители….……………………………………………………………………………………………………………….22

Четырехкаскадные усилители….…………………………………………………………………………………………………………27

Специальные усилители…..…………………………………………………………………………………………………………………29

Дифференциальные каскады (ДК)………………………………………………………………………………………………………30

Схемы цепей питания биполярных транзисторов

Рисунок 1. Подача напряжений смещения биполярного транзистора:

а) для n-p-n транзистора

б) другой вид графического представления

в) для p-n-p транзистора

Рисунок 2. Схемы с фиксированным смещением

а) с фиксированным током базы через R б

б) с фиксированным напряжением на базе

в) тоже с дросселем в цепи базы

Рисунок 3. Схемы биполярных транзисторов с автоматическим смещением (эмиттерная стабилизация):

а) основная

б) с дросселем в качестве нагрузки коллектора

в) в трансформаторном каскаде

г) с двухполярным питанием

Рисунок 4. Схемы питания биполярных транзисторов с автоматическим смещением (коллекторная стабилизация)

а) основная схема

б) с использованием фильтра

Рисунок 5. Схемы термокомпенсации точки покоя:

а), б) резистором с отрицательным температурным коэффициентом

в) резистором с положительным температурным коэффициентом

Рисунок 6. Схем термокомпенсации точки покоя:

а) включением диода в цепь базового делителя

б) включением диода в цепь базового делителя при наличии R э

в) в схеме с трансформаторным входом

г) включением диода в цепь обратной связи по постоянному току

Схема цепей питания полевых транзисторов:

Рисунок 7. Подача напряжения смещения в полевом транзисторе:

а) с фиксированным напряжением затвор-исток

б), в) с автоматическим смещением в цепи истока

г) с автоматическим смещением и с частичным включением в цепь истока

д) с делителем в цепи затвора

Составные транзисторы

Рисунок 8. Составные транзисторы:

а) Схема Дарлингтона

б) схема Нортона

в) с полевым транзистором

Генераторы стабильного тока (ГСТ)

Рисунок 9. Варианты схем токового зеркала:

а) ГСТ Уилсона

б) с регулировкой тока с резисторами в цепи эмиттеров

в) при низковольтном питании

Рисунок 10. ГСТ с повышенным выходным сопротивлением.

а) ГСТ, смещенный другим ГСТ

б) соединение транзисторов ОЭ-ОБ

в) для тока свыше 3 мА

г) двухвыводной ГСТ (встречное включение двух схем ГСТ [см. рис. 9(в)])

Генераторы стабильного тока на полевых транзисторах

Рисунок 11. ГСТ на полевых транзисторах:

а) простейшая схема

б) с увеличенным выходным сопротивлением

в) составной ГСТ ОИ-ОБ с увеличенным напряжением источника питания

Генераторы стабильного тока на полевых и биполярных транзисторах

Рисунок 12. Гибридные ИСТ:

а) с повышенной стабильностью выходного тока

б) с высоким выходным сопротивлением

Источники опорного напряжения

Рисунок 13. источники опорного напряжения:

а) с уменьшенным выходным сопротивлением

б) на многоэмиттерном транзисторе

в) с использованием перехода база-эмиттер

г), д) с регулируемым стабильным напряжением, последний с уменьшенным выходным сопротивлением, за счёт ООС на VT1

Однокаскадные усилители

Рисунок 14. Усилительные каскады с ОЭ:

а), б) с эмиттерной стабилизацией, без ОС по сигналу

в), г) с эмиттерной стабилизацией, и ОС по сигналу

д), е) с коллекторной стабилизацией

Рисунок 14. Усилительные каскады с ОК:

а) каноничная схема

б) с большим входным сопротивлением, не шунтируемым делителем

в), г) с двухполярным питанием и транзисторами разной проводимости

д) с токовым зеркалом в качестве генератора стабильного тока

Двухкаскадные усилители:

а), б), в) на комплиментарных БТ

г) на БТ одинаковой проводимости

Рисунок 16. Усилители по схеме ОЭ-ОЭ:

д), е) на БТ одинаковой проводимости

Рисунок 17. Усилители на ПТ и БТ:

в) на составном резисторе Дарлингтона

Рисунок 18. Усилители с повышенным входных сопротивлением:

в) на МОП ПТ

Рисунок 19. Повторители напряжений:

а), б) на ПТ и БТ

в) с динамической нагрузкой

Рисунок 20. Двухкаскадный усилитель с динамической нагрузкой.

Рисунок 21. Двухкаскадный усилитель с входным согласующим дифференциальным трансформатором и конечным каскадом по схеме Дарлингтона.

Рисунок 22. Усилители с последовательным питанием.

Рисунок 23. Усилитель с нейтрализацией входной емкости.

а) с емкостной связью

б) с гальванической связью

Рисунок 24. Двухкаскадный усилитель ОЭ-ОЭ

в) на транзисторах разной проводимости

Трехкаскадные усилители:

Рисунок 25. Трехкаскадные усилители:

а) усилители со структурой близкой к рис. 14(г)

б) усилитель с последовательным питанием

Рисунок 26. Усилитель с ПТ на входе

Рисунок 27. Усилитель на базе каскодной схемы с повышенным входным сопротивлением и структура Нортона.

Рисунок 28. Усилитель со скрещенным ОС

Рисунок 29. Усилитель с общей ОС.

Рисунок 30. Усилитель с Дифференциальным каскадом.

Рисунок 31. Усилитель с ПТ и общей ОС.

Рисунок 32. Усилитель с общей ОС

Рисунок 33. Усилитель с общей ОС

Четырехкаскадные усилители:

Рисунок 34. Усилитель с общей ОС и структурой близкой к рис. 14(д)

Рисунок 35. Усилитель с малым входным сопротивлением

Рисунок 36. усилитель на структурах ОЭ-ОК

Специальные усилители:

Рисунок 37. а) согласующий усилитель

б) нормирующий усилитель

Дифференциальные каскады (ДК):

Рисунок 38. Простейшие ДК:

Рисунок 39. ДК на супербэта транзисторах

Рисунок 40. ДК:

а) с активной нагрузкой (VT2) в виде токового зеркала

б) с суммированием выходных напряжений левого и правого плеча на общем выходе

Рисунок 41. ДК на ПТ:

а) каскодное соединение ОИ-ОЭ с динамической нагрузкой на VT4

б) на МОП-транзисторах

Рисунок 42. ДК:

а) с инвертором на VT2 и VT3 для широкополосных усилителей

б) двухкаскадный ДК с одинаковой крутизной переднего и заднего фронта в режиме большого сигнала

Кафедра систем телекоммуникаций

«Генераторы стабильного тока и напряжения»

МИНСК, 2008

Генераторы стабильного тока

Для смещения и стабилизации режимов ИС широко используют генераторы стабильного тока (ГСТ): для стабилизации режимов и в качестве активной нагрузки усилительных каскадов; в качестве ИП эмиттеров Т дифференциальных усилителей; в интеграторах, генераторах пилообразного напряжения и т.д. Под ГСТ понимают двухполюсник, ток через который практически не зависит от приложенного напряжения. Если на такой двухполюсник подать сумму постоянного

и переменного напряжений, то его сопротивление для переменной составляющей будет высоким. Сопротивление для постоянной составляющей обычно требуется небольшое. Важнейшими параметрами ГСТ являются выходное сопротивление (в идеале ), выходной постоянный ток и рабочий диапазон – диапазон выходного напряжения, в котором ГСТ сохраняет свои свойства.

Простейший ГСТ (рис. 1, а) обеспечивает ток

, где , – напряжение база – эмиттер и коэффициент передачи тока Т. Для определения параметра напомним, что выходное сопротивление каскада с ОЭ (без учета нагрузки) составляет , (1) – эквивалентное (с учетом делителя смещения) сопротивление генератора; – суммарное (с учетом дифференциального сопротивления ) сопротивление в цепи эмиттера.

Применительно к рассматриваемому ГСТ выражение (1) трансформируется в

. При малых токах величина составляет десятки и сотни килоом. Рабочий диапазон соответствует изменению напряжения на коллекторе в пределах от до . Основными недостатками этого ГСТ являются: относительно невысокое выходное сопротивление; низкая температурная и режимная (при изменении напряжения ИП) стабильность выходного тока.

Для повышения стабильности с помощью дополнительных сопротивлений

и вводится эмиттерная стабилизация ГСТ (см. рис.1, а), при которой ток . Она, как следует из соотношения (1), увеличивает сопротивление ГСТ, но уменьшает его рабочий диапазон на падение напряжения . Дальнейшее повышение температурной стабильности достигают включением Д последовательно с сопротивлением . Если характеристики Д согласованы с аналогичными Т, то это нейтрализует изменение тока под влиянием температурного приращения . Согласование характеристик обеспечивают диодным включением Т. Требуемое напряжение на базу Т ГСТ можно подавать также с помощью стабилитрона (вместо сопротивления ) или нескольких диодов. Иногда ГСТ, в которых ток вытекает из нагрузки, называют “поглотителями” тока, а со втекающим током – источниками(см. рис.1, а, б).

Реализация ГСТ на ПТ может быть проще: без отдельного источника смещения, т.е. по схеме двухполюсного включения. Такие ГСТ выполняют на ПТ с управляющим переходом и ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом (рис. 1, в, г). Их выходное сопротивление равно

, где , – внутреннее сопротивление и крутизна ПТ.

Существенный недостаток рассматриваемых ГСТ – относительно небольшое выходное сопротивление. Для его увеличения применяют двухтранзисторные ГСТ (рис. 1, д – ж). В генераторе на БПТ сопротивление

и составляет сотни (тысячи) килоом, в ГСТ на ПТ оно определяется соотношением ((), () – внутреннее сопротивление и крутизна транзистора VT1 (VT2)) и достигает единиц (десятков) мегаом. Для повышения тока затвор ПТ VT1 можно подключить не к корпусу, а к истоку ПТ VT2, что уменьшает напряжение смещения ПТ VT1 и увеличивает его ток. Но выходное сопротивление ГСТ оказывается при этом меньше.

Напряжение на базе (затворе) Т приведенных ГСТ фиксировано. Если предусмотреть возможность его изменения, то получим программируемый ГСТ. В случае изменения этого напряжения по закону сигнала ток

отслеживает его, что соответствует управляемому генератору тока.

От ГСТ со смещением на основе согласованной пары Т легко перейти к так называемому токовому зеркалу (ТЗ), широко применяемому в схемотех-нике аналоговых ИС. ТЗ (отражателем тока) называют функциональный узел, у которого токи двух сходящихся в одну точку ветвей равны, причем входной

управляет выходным (рис. 2, а). В рассматриваемом случае общей точкой является заземление. В выходную ветвь включена нагрузка и подается питающее напряжение. Входное сопротивление ТЗ мало, выходное – велико (в пределе ). Поэтому ток не зависит от напряжения в точке 2, а определяется током . Коэффициент передачи является основным параметром ТЗ. В общем случае ТЗ можно рассматривать как частный случай управляемого генератора тока. У него коэффициент не обязательно равен 1.

Наиболее часто ТЗ применяются в качестве ГСТ и динамических нагрузок Т дифференциального каскада, обеспечивая переход от симметричного выхода к несимметричному высокоомному. Рассмотрим последнее применение (рис. 2, б).

В исходном состоянии транзисторы VT1 и VT2 имеют равные коллекторные токи

. Когда на дифференциальный вход поступает некоторое напряжение , первый из них, например , увеличивается до значения , а второй () уменьшается до величины . Ток повторяется ТЗ, поэтому выходной ток каскада составляет и равен сумме полезных составляющих обоих Т. Если же на базы транзисторов VT1 и VT2 поступит синфазное (относительно корпуса) приращение напряжения, то выходной ток будет равен нулю и ( – коэффициент ослабления синфазного напряжения (синфазной помехи), показывающий, во сколько раз коэффициент передачи синфазного входного напряжения меньше, чем дифференциального). На практике , поэтому синфазная помеха подавляется не полностью.

Простейшая (основная) схема ТЗ представлена на рис. 3, а. Предполагается, что транзисторы VT1 и VT2 одинаковы. Входной ток

вводится через добавочное сопротивление . Очевидно, в схеме , , , , а выходное сопротивление (с учетом формулы (1)) равно . Для уменьшения различия токов ветвей, что увеличивает значение параметра , в ТЗ вводят буферный Т VT3 (рис.3, б), который уменьшает разность токов в раз. Поэтому . Выходное сопротивление такое же, как и в предыдущей схеме. Коллекторный ток VT3 намного меньше токов Т VT1 и VT2, из-за чего коэффициент имеет низкое значение. Для увеличения тока иногда включают токоотводящее сопротивление .

Рассматриваемые ТЗ обладают относительно невысоким выходным сопротивлением. В результате ток

зависит от выходного напряжения, которое при высокоомной нагрузке может быть значительным. Это влечет за собой дополнительный разбаланс плеч, т.е. уменьшает коэффициент . Для увеличения сопротивления применяют ТЗ со следящим напряжением второго Т, называемое ТЗ Уилсона (рис. 3, в). В нем эмиттер Т VT3 повторяет напряжение на коллекторе Т VT1, поэтому коллекторные напряжения Т VT1 и VT2 почти одинаковы и не зависят от выходного. Коэффициент имеет то же значение, что и в основной схеме ТЗ. Выходное сопротивление существенно выше (порядка ), из-за чего схема не разбалансируется выходным напряжением и работоспособна при более высокоомной нагрузке. Дальнейшее повышение сопротивления можно обеспечить включением в эмиттеры Т VT1 и VT2 сопротивлений, выбираемых порядка 1 кОм. Сказанное справедливо также для других ТЗ.

Если в ТЗ (см. рис. 3, а) к коллектору Т VT1, помимо Т VT2, подключить еще несколько Т со своими нагрузками, то получим схему с несколькими выходами. При этом возможна ситуация, когда один из выходных Т входит в режим насыщения, например, при отключении его нагрузки. Тогда база Т будет отбирать из общей линии повышенный ток, что уменьшит выходные токи других Т. Для исключения этого вводят буферный Т, аналогичный Т VT3 на рис. 3, б.

Для построения ТЗ, отражающего удвоенный (половинный) входной ток, необходимо в схеме (см. рис. 3, а) параллельно Т VT2 (VT1) подключить еще один Т. В ТЗ на ИС коэффициент

часто задают выбором размеров (площадей) эмиттерных переходов. Фирмой Texas Instruments выпускаются монолитные ТЗ с коэффициентом передачи 1,0 , 0,5 , 0,25 и 2,0 и рабочим диапазоном от 1,2 до 40 В. Возможным способом реализации ТЗ с кратными токами и является включение в цепь эмиттера выходного (входного) Т дополнительного сопротивления.

Генераторы стабильного напряжения

В схемотехнике аналоговых ИС широко применяют генераторы стабильного напряжения (ГСН) – двухполюсники, падение напряжения на которых слабо зависит от протекающего тока. Простейший ГСН – диод, через который протекает ток (от ГСТ или через сопротивление от ИП). В качестве диода обычно используют прямосмещенный эмиттерный переход Т, стабилизирующий напряжение на уровне примерно 0,65 В. Для увеличения напряжения

стабилизации применяют последовательное соединение двух Т в диодном включении либо схему рис. 4, а. В ней (, – напряжения база – эмиттер Т). Иногда с целью повышения тока Т VT1 дополнительно вводят шунтирующее сопротивление величиной несколько килоом, что уменьшает его дифференциальное сопротивление. Дальнейшее увеличение достигают цепями из трех (четырех) Т. Температурный коэффициент напряжения, стабилизируемого прямым включением диодов, является отрицательным.

Рис. 4. Схемы ГСН на транзисторах

Для получения малых значений

часто используют параллельное соединение делителя и Т VT (рис. 4, б). Здесь напряжение и, значит, ток через сопротивление стабильны. Приращение внешнего напряжения приложено к сопротивлению и изменяет ток базы, влияющий на ток коллектора. Напряжение стабилизации (пренебрегаем током базы) составляет . Варьируя значениями и , можно регулировать величину . Очевидно, в схеме , где () – приращение тока (напряжения) ГСН; – крутизна последнего. Поэтому выходное сопротивление рассматриваемого ГСН равно и составляет примерно 50…200 Ом.

Вместо диодов в ГСН часто применяют стабилитроны. Они имеют следующие недостатки: конечный набор значений

и большой допуск на них (кроме дорогих прецизионных стабилитронов); большой уровень шума; достаточно большое дифференциальное сопротивление; зависимость напряжения от температуры (например, стабилитрон с = 27 В из серии 1N5221 производства США имеет коэффициент = 0,1 % /град).

Исследованиями фирмы Motorola, Inc. установлено, что в окрестности точки

= 6 В стабилитроны имеют значительно меньшее, чем при других напряжениях, дифференциальное сопротивление и почти нулевой коэффициент , который зависит от рабочего тока (рис. 5). Это связано с используемыми в стабилитронах двумя механизмами пробоя: зенеровским (туннельным) при низком и лавинном при высоком напряжении. С учетом отмеченных закономерностей применяют так называемые компенсированные опорные элементы в виде последовательного соединения стабилитрона с напряжением 5,6 В и прямосмещенного диода. Выбирая величину и рабочий ток, можно компенсировать отрицательный температурный коэффициент диода, равный –2,1 мВ/град. Такой подход использован в производимых фирмой Motorola, Inc. дешевых опорных элементах с напряжением = 6,2 В, имеющих коэффициент от 10 –4 % /град (1N821) до 5×10 –6 % /град (1N829). Указанные значения справедливы при токе = 7,5 мА. При этом в случае стабилитрона 1N829 приращение тока на 1 мА изменяет напряжение в три раза сильнее, чем изменение температуры от –55 до +100 о С.

Имея компенсированный опорный элемент VD с фиксированным напряжением

= 6,2 В, можно построить с помощью буферного операционного усилителя DA1 ГСН на любое требуемое напряжение (рис. 6, а). Опорный элемент, представляющий последовательное соединение стабилитрона и диода, включается в любой полярности. Необходимый рабочий ток его = 7,5мА задается сопротивлением , величина которого, например, при = 10 В составляет 510 Ом (при этом = 3,83 кОм и = 6,19 кОм). По рассматриваемой схеме строятся так называемые стабилитронные ИС, обеспечивающие = 30×10 –6 % /град. Они, как и их дискретные аналоги, обладают существенным недостатком: имеют высокий уровень шума, который сильнее в стабилитронах с лавинным пробоем (> 6 В). Для уменьшения шума используют стабилитронную структуру с так называемым захороненным, или подповерхностным, слоем.

В последнее время в ГСН в качестве опорных элементов все шире применяют так называемые стабилитроны с напряжением запрещенной зоны, которые было бы точнее назвать

А. Миронов

Генераторы стабильного тока (ГСТ) в настоящее время широко используются при проектировании источников стабилизированного тока и напряжения, высокоомных активных нагрузок и т. д. Наибольшее распространение получили схемы ГСТ, приведенные на рис. 1 (а, б).

Рис. 1. Схемы распространенных ГСТ

Устройство, схема которого приведена на рис. 1, а, представляет собой токостабилизирующий двухполюсник, способный генерировать стабилизированный ток в широком диапазоне. Установка требуемой силы тока производится резистором в цепи истока. Схема проста, надежна и имеет минимальное количество элементов, однако ток стабилизируется при относительно высоком напряжении на двухполюснике (назовем это напряжение граничным - Uгр). Так, например, для токов в диапазоне 0,05... 1 мА напряжение Uгр составляет 0,8...2 В.

ГСТ, изображенный на схеме рис. 1, б, содержит большее количество деталей, однако обеспечивает меньшие значения напряжения Uгр. Так, например, если в качестве элемента VD1 выбрать один кремниевый диод (тогда он включается в прямом направлении), а в качестве VT1 - германиевый транзистор, то генерация тока начинается уже при напряжении Uгр=0,4...0,6 В (здесь под Uгр понимается напряжение между коллектором VT1 и общим проводом). Напряжение Uгр можно уменьшить на 100...150 мВ, заменив кремниевый диод на два германиевых, включенных последовательно. Регулировка тока производится резистором R2. В отличие от предыдущей схемы здесь ток ГСТ можно рассчитать с погрешностью не хуже ±20 %.

Получить меньшие напряжения Uгр можно, если застабилизировать непосредственно напряжение Uбэ транзистора VT1 (см. рис. 1, б) и исключить резистор R2. Однако для реализации этого требуются полупроводниковые приборы с весьма близкими характеристиками р - n переходов, в частности, можно использовать дифференциальные транзисторные пары. ГСТ, показанный на рис. 2, состоит из следующих элементов; вспомогательного ГСТ G1, источника опорного напряжения на транзисторе VT1.1 и ГСТ на транзисторе VT1.2. Вспомогательный ГСТ может быть собран по любой из известных схем.

Рис. 2. Низковольтный ГСТ

Транзистор VT1.1, работая в диодном включении, находится в нормальном активном режиме, поэтому для коллекторного тока справедливо выражение:

Ток ГСТ будет повторять ток генератора тока G1 с приемлемой точностью, и поэтому такая схема получила название «токового зеркала».

Для определения напряжения Uгp были сняты выходные характеристики ГСТ Iгст = f(Uкэ2) в диапазоне токов генератора G1 I1= 0,05... 1 мА. Начальные участки этих характеристик показаны на рис. 3.

Рис. 3. Характеристики стабилизации тока низковольтного ГСТ

По результатам измерений построена зависимость Uгр = ф (Iгст) (кривая 1). Зта зависимость получена соединением точек на кривых Iгст = f(Uкэ2), в которых ток Iгст входит в пятипроцентную зону от своего установившегося значения (здесь под установившимся понимается значение силы тока Iгст при Uкэ>> Uгр в данном случае Iуст = Iгст при Uкэ2 = 2 В). Как видно из графика, при изменении тока Iгст от 0,05 мА до 1 мА напряжение Uгр увеличивается с 135 до 240 мВ. Такое малое значение напряжения Uгр позволяет, например, применять рассмотренный ГСТ в схемах с напряжением питания до 1 В и получать на выходе усилительного каскада двойной размах выходного напряжения, практически равный напряжению питания схемы.

Эквивалентное выходное сопротивление ГСТ на горизонтальном участке характеристики Iгст = f(Uкэ2) справа от напряжения Uгр для указанной дифференциальной пары можно приближенно рассчитать по формуле

Где Ucдв - потенциал сдвига - точка на оси напряжений Uкэ, в которой пересекаются продолжения горизонтальных участков выходных характеристик транзистора. Для указанной дифференциальной пары Ucдв = -(50... 70) В. Так, например, при Iгст = 100 мкА Rгст = 600 кОм.

Выходное сопротивление ГСТ можно увеличить, включив в эмиттерные цепи транзисторов резисторы Rl, R2 (на рис. 2 они показаны пунктиром). При наличии таких резисторов выходное сопротивление ГСТ можно рассчитать по следующей формуле:

(См. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре.- М. : Сов. радио, 1979). Так, например, при Iгст = 1 мА и R1 = R2 = 56 Ом получено Rгст = 190 кОм. Интересно, что с увеличением сопротивлений этих резисторов при одном и том же токе Iгст напряжение Uгр увеличивается весьма незначительно, а в приведенном выше примере увеличение значения Uгр не наблюдалось вообще. Кривая 2 на рис. 3 представляет собой выходную характеристику ГСТ при Rl = R2 = 56 Ом. Как видно из графика, увеличение тока ГСТ начинается при более высоких напряжениях Uкэ2 однако этот процесс идет с более высокой крутизной, чем в случае, когда R1 = R2 = 0. Наличие резисторов в эмиттерных цепях оказывает обшее стабилизирую щее действие, каких бы возмущающих параметров это ни касалось: напряжения Uкэ2 или температуры окружающей среды tокр. С увеличением их сопротивления снижаются требования и к идентичности транзисторов. При падении напряжения на эмиттерных резисторах выше 100 мВ дифференциальную пару можно заменить любой парой кремниевых транзисторов, например КТ315. Однако в этом случае несколько увеличится напряжение Uгр.

Изменяя сопротивление резисторов R1, R2, можно регулировать ток ГСТ в широких пределах. Так, например, при I1= 200 мкА, R2 = 0, Uкэ2 = 2 В ток ГСТ изменялся в диапазоне от 200 мкА до 3,8 мА при изменении R1 от 0 до 470 Ом.

ГСТ, построенный по схеме рис. 2, обладает хорошей температурной стабильностью. Это объясняется идентичностью параметров транзисторов сборки. Опорное напряжение UбэV1.1 и напряжение UбэV1.2 дрейфуют одновременно с одинаковыми скоростями, и коллекторный ток транзистора VT1.2 практически не изменяется. Так, например, при увеличении температуры окружающей среды tокр с 25 °С до 70 °С ток ГСТ отклонялся от тока I1 менее чем на 2 % при Rl = R2 = 0. Увеличение сопротивления резисторов R1, R2 значительно улучшает температурную стабильность тока ГСТ.

Как было отмечено выше, для построения низковольтных ГСТ требуется еще один ГСТ - G1. Построить его можно любым из известных способов, в том числе с использованием схем рис. 1, а, б. Можно также использовать и обычный параметрический стабилизатор напряжения, изображенный на рис. 4.

Рис. 4. Схема параметрического стабилизатора напряжения

Выше были рассмотрены ГСТ на транзисторах структуры n-р-n. Однако все схемы, графики и выражения, определяющие параметры ГСТ, остаются справедливыми при замене транзисторов на р-n-р. Исключение составляет только параметр Ucдв значение которого для р-n-р транзисторов несколько ниже. Например, для дифференциальной пары транзисторной сборки К198НТ5А значение напряжения Uсдв составляет 40...50 В.

В заключение - о практических схемах устройств с использованием низковольтных ГСТ. На рис. 5 приведена электрическая схема дифференциального каскада с динамической нагрузкой на ГСТ.

Рис. 5. Усилительный каскад с низковольтным ГСТ

Такая схема часто применяется при построении интегральных операционных усилителей. За счет применения низковольтного ГСТ удалось получить большую амплитуду выходного сигнала и высокий коэффициент усиления по напряжению Кu. Так, например, при R2 = 100 Ом, Rн = 120 кОм Кu = 370. При R2=1,5 кОм и Rн = 220 кОм Кu= 1000. Максимальная амплитуда выходного напряжения при этом практически равнялась +Eп/2.

Использование низковольтных ГСТ в стабилизаторах постоянного напряжения (СН) позволяет уменьшить допустимую разность между входным и выходным напряжениями на 0,5...2 В по сравнению с традиционными схемами СН. Это особенно важно в СН с низким выходным напряжением и большим током нагрузки, так как позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на регулирующем транзисторе и повысить КПД СН. Вариант принципиальной схемы такого СН показан на рис. 6.

Рис. 6. Стабилизатор напряжения с низковольтным ГСТ

При токе нагрузки 100 мА выходное напряжение оставалось в пятипроцентной зоне допуска при уменьшении входного до +5,6 В. Максимальный ток нагрузки можно увеличить, применив вместо транзистора VT3 составной транзистор.
[email protected]

Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока представляют собой прекрасное средство для обеспечения смещения транзисторов, и кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе.

Подключение резистора к источнику напряжения. Схема простейшего источника тока показана на рис. 2.20. При условии что R н » R (иными словами, U н » U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I = U/R. Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что U конд » U, он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RC-цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где-либо в другом узле схемы.

Упражнение 2.6. Допустим, нам нужен источник тока который бы обеспечивал точность 1% в диапазоне изменения напряжения на нагрузке от 0 до +10 В. Какой источник напряжения нужно подключить последовательно к резистору?

Упражнение 2.7. Допустим, что в предыдущем упражнении требуется получить от источника ток 10 мА. Какая мощность будет рассеиваться на резисторе? Какая мощность передается нагрузке?

Рис. 2.21. Транзисторный источник тока: основная идея.

Какая мощность передается нагрузке? Транзисторный источник тока. Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.21). Работает он следующим образом: напряжение на базе U б > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: U э = U б - 0,6 В. В связи с этим I э = U э /R э = (U э - 0,6/R э. Так как для больших значений коэффициента h 21э I э ≈ I к, то I к ≅ (U б - 0,6 В)/R э независимо от напряжения U к до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (U к > U э + 0.2 В).

Смешение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h 21э R э. Можно воспользоваться также зенеровским диодом и использовать для смещения источник питания U кк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.22 показаны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.22,6) транзистор p-n-p - типа питает током заземленную нагрузку (он - источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы n-р-n - типа.) правильнее было бы называть «поглотителями» тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. [Название «поглотитель» и «источник» связано с направлением тока; если ток поступает в какую-либо точку схемы, то это источник, и наоборот]. В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим ≅100кОм (для h 21э = 100). Любое изменение коэффициента β, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер, - этого достаточно, чтобы диоды были открыты.

Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. Так, в первой схеме напряжение на коллекторе можно понижать до тех пор, пока не будет достигнут режим насыщения, т. е. до +12 В. Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно + 5,2 В.

Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания. Например, последняя схема работает как источник тока в диапазоне напряжения на нагрузке, ограниченном значениями 0 и +8,6 В. Если в нагрузке используются батареи или собственные источники питания, то напряжение на коллекторе может быть больше, чем напряжение источника питания. При использовании такой схемы рекомендуется следить за тем. чтобы не возник пробой транзистора (напряжение U кэ не должно превышать значение U кэпроб - напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения I к U кэ). В разд. 6.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально.

Упражнение 2.8. В схеме имеются два стабилизированных источника напряжения: +5 и 15 В. Разработайте схему источника тока на основе транзистора n-р-n - типа, которая бы обеспечивала ток +5 мА. В качестве источника напряжения для базы используйте источник +5 В. Чему равен рабочий диапазон в такой схеме?

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения U б, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала u вх (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения ) должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалось до нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.

Недостатки источников тока. Как сильно отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении, скажем напряжения, т.е. имеет ли источник тока эквивалентное сопротивление конечной величины (R экв

1. При заданном токе коллектора и напряжение U бэ, и коэффициент h 21э (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении напряжения коллектор-эмиттер. Изменение напряжения U бэ, связанное с изменением напряжения на нагрузке, вызывает изменение выходного тока, так как напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента h 21э приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как I к = I э - I б; кроме того, немного изменяется напряжение на базе в связи с возможным изменением сопротивления источника смешения, обусловленного изменениями коэффициента h 21э (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначительны. Например, изменение выходного тока для схемы, представленной на рис. 2.22, a, составляет приблизительно 0,5% для транзистора типа 2N3565. В частности, при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В эффект Эрли обусловливает изменение тока на 0,5%, а нагрев транзистора - на 0,2%. Изменение коэффициента вносит дополнительный вклад в изменение выходного тока - 0,05% (для жесткого делителя напряжения). Все эти изменения приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от напряжения и, следовательно, его сопротивление не бесконечно. В дальнейшем вы узнаете, что есть методы, которые позволяют преодолеть этот недостаток.

2. Напряжение U бэ и коэффициент h 21э зависят от температуры. В связи с этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный. Изменение напряжения и U бэ в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью схемы, показанной на рис. 2.23. В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т 2 компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе Т 1 который имеет такие же температурные характеристики. Резистор R 3 играет роль нагрузки для Т 1 , необходимой для задания втекающего тока базы транзистора Т 2 .

Рис. 2.23. Один из методов температурной компенсации источника тока.

Улучшение характеристик источника тока. Вообще говоря, изменение напряжения U бэ, вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно -2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения U бэ (эффект Эрли оценивается величиной ΔU бэ ≈ -0,001 ΔU кэ), можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В), тогда изменение напряжения U бэ на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе). Например, если U э = 0,1В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения U бэ на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10%, если же U э = 1,0 В, то такое же изменение U бэ вызывает изменение тока на 1%. Однако, не стоит заходить слишком далеко. Напомним, что нижняя граница рабочего диапазона определяется напряжением на эмиттере. Если в источнике тока, работающем от источника питания +10 В, напряжение на эмиттере сделать равным +5 В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от U э + 0,2 В до U кк, т. е. от 5,2 до 10 В).

Рис. 2.24. Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

На рис. 2.24 показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока. Источник тока Т 1 работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Т 2 . Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Т 2) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из-за большого значения h 21э). В этой схеме напряжение U кэ (дая Т 1) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения U бэ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2N3565 эта схема дает изменение тока на 0,1% при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1%. (Кстати, эту схему используют в высокочастотных усилителях, где она известна под названием «каскод»). В дальнейшем вы познакомитесь со схемами источников тока, в которых используются операционные усилители и обратная связь, и в которых также решена задача устранения влияния изменений U бэ на выходной ток.

Влияние коэффициента h 21э можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением h 21э, тогда ток базы будет вносить незначительный вклад в ток эмиттера.

Рис. 2.25. Транзисторный источник тока с использованием напряжения U бэ в качестве опорного.

На рис 2.25 показан еще один источник тока, в котором выходной ток не зависит от напряжения питания. В этой схеме напряжение U бэ транзистора Т 1 , падая на резисторе R 1 , определяет выходной ток независимо от напряжения U кк

U вых = U бэ /R2U 2 .

С помощью резистора R 1 устанавливается смещение транзистора Т 2 и потенциал коллектора Т 1 , причем этот потенциал меньше, чем напряжение U кк, на удвоенную величину падения напряжения на переходе; тем самым уменьшается влияние эффекта Эрли. В этой схеме нет температурной компенсации; напряжение на R 2 уменьшается приблизительно на 2,1 мВ/°С и вызывает соответствующее изменение выходного тока 0,3%/°С).