Источники эталонного напряжения и тока

2.9.1 Генераторы стабильного тока

При разработке усилительных устройств, особенно в интегральном исполнении, часто возникает необходимость использования источников стабильного тока или напряжения, свойства которых близки к свойствам идеальных источников постоянного тока и напряжения. Следует отметить, что создание устройств, являющихся идеальными источниками тока и напряжения, невозможно. Однако для некоторого ограниченного диапазона изменения параметров создание устройств, имитирующих такие источники, вполне возможно. При этом могут использоваться как биполярные, так и полевые транзисторы.

Источники стабильного тока (их часто называют генераторами стабильного тока – ГСТ) на основе транзисторов реализуются достаточно просто. Этому способствуют некоторые особенности свойств транзисторов.

Обратимся к выходным ВАХ биполярного транзистора для схемы включения с общим эмиттером (рисунок 2.45, а). Из рисунка видно, что если биполярный транзистор работает в активном режиме, то при фиксированном значении тока базы (например, I_Б = I_{Б 0}) его выходной ток I_К мало зависит от напряжения между выводами эмиттера и коллектора U_КЭ. Изменение сопротивления нагрузки R_н транзистора (рисунок 2.45, б) может вызывать существенное изменение напряжения U_КЭ транзистора (D U_КЭ на рисунке 2.45, а) за счет изменения наклона нагрузочной линии, но при фиксированном токе базы ток коллектора транзистора будет изменяться незначительно (D I_К на рисунке 2.45, а).

а б

Рисунок 2.45 – Выходная ВАХ транзистора (а) и упрощенная схема

ГСТ на биполярном транзисторе (б)

Следовательно, изменение сопротивления нагрузки R_н в цепи коллектора транзистора (рисунок 2.45, б) не приводит к существенным изменениям тока коллектора, то есть можно полагать, что ток коллектора в этих условиях будет стабильным.

Таким образом, чтобы получить источник тока на биполярном транзисторе, достаточно обеспечить постоянство (стабильность) тока в цепи его базы. Поскольку ток базы при неизменной температуре и напряжении на коллекторе транзистора непосредственно зависит от напряжения U_БЭ (см. п. 1.4.3), то для поддержания неизменным значения тока базы, а, следовательно, и тока коллектора, достаточно обеспечить постоянство (стабильность) напряжения U_БЭ. С этой целью параллельно эмиттерному переходу транзистора достаточно включить элемент, напряжение на котором не зависит от изменения внешних условий. В простейшем случае в качестве такого элемента может быть использован резистивный делитель. Однако коэффициент передачи резистивного делителя практически не зависит от температуры и от напряжения, поэтому при нестабильном напряжении питания делителя напряжение на эмиттерном переходе транзистора будет изменяться, что приведет к нестабильности коллекторного тока.

Гораздо более качественная стабилизация коллекторного тока транзистора может быть получена при использовании р - п -переходов, включенных параллельно эмиттерному переходу транзистора и работающих на прямом или обратном участках ВАХ.

На рисунке 2.46, а приведена простейшая схема источника тока, в которой для стабилизации напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT использован диод VD,смещенный в прямом направлении. Ток диода задается резистором R_см.

а б

Рисунок 2.46 – Способы стабилизации тока базы биполярного транзистора

Рассмотренная схема, несмотря на ее простоту, обеспечивает достаточно хорошую стабилизацию коллекторного тока при изменении температуры в широких пределах. Это объясняется тем, что температурные изменения напряжения эмиттерного перехода компенсируются соответствующими изменениями напряжения диода. Прямая ветвь ВАХ диода и входная ВАХ биполярного транзистора, если они выполнены из одного материала (например, кремния), идентичны. Повышение температуры обычно приводит к тому, что при неизменном прямом напряжении диода U_д и напряжении U_БЭ транзистора возрастает прямой ток диода I_{д пр} или, соответственно, ток базы I_{Б 0} транзистора. А поскольку ток I_см (в схеме на рисунке 2.46, а) представляет собой сумму двух токов I_{д пр} и I_{Б 0}, то при повышении температуры возрастает падение напряжения на резисторе R_см и, следовательно, уменьшается прямое напряжение на диоде (или, что то же самое, напряжение U_БЭ транзистора), поддерживая тем самым неизменным ток базы, а, соответственно, и ток коллектора транзистора.

Для повышения коэффициента стабилизации выходного тока в рассмотренную схему можно ввести цепь ООС, как показано на рисунке 2.46, б. Однако введение эмиттерного резистора R_Э требует увеличения напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Это может быть решено включением в схему вместо диода стабилитрона на требуемое напряжение стабилизации (рисунок 2.46, б).

В практических схемах ГСТ, особенно при реализации аналоговых электронных устройств в интегральном исполнении, вместо диода параллельно эмиттерному переходу включают транзистор в диодном включении (рисунок 2.47). Такая схема обладает некоторыми преимуществами перед схемой, приведенной на рисунке 2.46, а. Они достигаются, в первую очередь, тем, что транзисторы VT1 и VT2 выбирают одного типа с одинаковыми параметрами.

Рисунок 2.47 – Схема ГСТ с улучшенными параметрами

Проанализируем работу схемы ГСТ, приведенной на рисунке 2.47. Поскольку транзистор VT1 используется в диодном включении, то напряжение U_{КБ 1} = 0. Следовательно этот транзистор работает на границе линейного режима и режима насыщения. При этом ток коллектора и ток базы транзистора VT1 связаны между собой соотношением: I_{К 1} = I_{Б 1} h _{21 Э} . Исходя из того, что параметры транзисторов идентичны, из очевидного условия U_{БЭ 1} = U_{БЭ 2} следует, что I_{Б 1} = I_{Б 2} и, следовательно, I_{К 1}= I_К2 = I_н.

Ток смещения I_см может быть найден из выражения

. (2.103)

В современных транзисторах h _{21 Э} >> 1, поэтому выражение (2.103) можно записать в следующем виде: I_см» I_{К 1} = I_н.

Анализ полученных выражений показывает:

- ток нагрузки I_н повторяет ток смещения I_см и практически равен ему. Поэтому такое соединение транзисторов в ГСТ получило название «токовое зеркало»;

- ток нагрузки практически не зависит от величины сопротивления нагрузки R_н (что видно из ВАХ, приведенной на рисунке 2.45, а). Изменять величину стабильного тока нагрузки I_н можно подбором сопротивления резистора R_см.

2.9.2 Источники стабильного напряжения

Источник стабильного напряжения может быть построен на основе ГСТ. Для этого достаточно выходной ток ГСТ пропустить через резистор со стабильным сопротивлением и снимать с него падение напряжения, которое также будет стабильным. На рисунке 2.48, а показана схема такого источника стабильного напряжения, в которой в качестве элемента со стабильным сопротивлением используется стабилитрон VD2 – элемент с малым дифференциальным сопротивлением. Стабилитрон VD1 включен в схему для выравнивания напряжений эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT2.

На рисунке 2.48, б приведена схема источника стабильного напряжения, обладающая более высокой стабильностью выходного напряжения благодаря тому, что в ней нагрузка подключается к источнику через эмиттерный повторитель, входное сопротивление которого существенно выше, чем дифференциальное сопротивление стабилитрона, а выходное – очень незначительное.

а б

Рисунок 2.48 – Схемы генераторов стабильного напряжения

Дата добавления: 2015-05-06