L_13 (Конспекты лекций)

1Лекция № 13.ИСТОЧНИКИ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХМОП-ТРАНЗИСТОРАХ. СТАБИЛИЗАТОРЫПлан1. Введение2. Источники тока на биполярных транзисторах.3. Источники тока на полевых транзисторах.4. Стабилизаторы компенсационного типа.5.Теоретическое обобщение.1. Введение.При проектировании усилительных устройств нередко возникает необходимость в источниках тока или напряжения, близких по своим параметрамк идеальным. Создать идеальный источник тока или напряжения невозможно, но создать источники практически с неплохими показателями ─ это реально. Например, в таком источнике тока нуждается схема дифференциального усилителя (раздел 3, лекция 9).

Вообще, это прекрасное средство дляобеспечения смещения транзисторов, для использования в качестве активнойнагрузки для усилителей с большим коэффициентом усиления, в генераторахпилообразного напряжения. Диапазон использования источников тока не ограничивается только электроникой: их используют , например в электрохимии, Для создания таких источников используются как биполярные, так иполевые транзисторы.2. Источники тока на биполярных транзисторах.Чтобы построить источник постоянного тока на биполярном транзисторе, обратимся к его коллекторной вольтамперной характеристике (рис.13.1 а)и к обобщённой схеме генератора тока на рис.13.1.б.На ВАХ транзистора просматриваются два участка ─ крутой (FD) и пологий (DE).

В пределах FD в транзисторе идут переходные процессы, связанные с постепенным увеличением обратного напряжения на коллекторномпереходе. В точке «D» на участке «коллектор-эмиттер» переходе устанавливается, примерно равное напряжению на участке «база-эмиттер» (при этом2напряжение на участке «коллектор-база» равно нулю). Транзистор из режимадвойной инжекции переходит в активный режим. Дальнейшее увеличениенапряжения на коллекторе, при постоянстве тока базы, не вызывает заметного приращения тока коллектора.

Следовательно, в схеме источника тока набиполярном транзисторе последний должен работать в активном режиме, иего рабочая точка будет лежать на пологом участке ВАХ; построенная нагрузочная характеристика при пересечении со статической ВАХ должна обеспечивать положение РТ на пологом участке (DE).(Uкб=0)мA Iк50EIбп=сonstDIкRн4030UвыхEkIбVT20Евх10(Uкэ=Uэб)UкэF246810 ВUкэа).Рис.13.1.б).После такого анализа ВАХ приходим к выводу, что сопротивление нагрузки R н должно удовлетворять неравенствуR≤ R ≥ R нмин ,(13.1)нмакснгдеЕ − U бэпR= к;нмаксh 21э I бпUбэп ─ это напряжение, которое соответствует заданному току I бп .Таким образом, если заданы напряжение питания и базовый ток, то,воспользовавшись уравнением (13.1), можно определить диапазон изменения3сопротивления нагрузки, в котором транзистор можно будет использоватькак источник тока.О том, насколько изменится выходной ток при изменении нагрузки вдиапазоне (формула 13.1) можно судить, воспользовавшись h-параметрами.Наклон выходной характеристики, снятой при постоянном токе базы,определяется выходной проводимостью ─ h 22э .

По ВАХ транзистора (рис.13.1.а) в пределах пологого участка «DE» видно, что проводимость при заданном токе базы практически почти постоянна. На основании этого изменениеколлекторного тока можно определить из выражения∆I = h 22 (E к − U бэп).(5,2)кТак как сопротивление обратносмещённого коллекторного переходазначительно больше сопротивления нагрузки, то величина h 22э в пределахпологого участка ВАХ транзистора очень мала, поэтому изменения коллекторного тока для всего диапазона изменения сопротивления нагрузки (формула 13.1) не будут превышать нескольких процентов. В таком случае, схемурис.13.1 можно использовать как источник тока, параметры которого близкик идеальным.Ток коллектора в активном режиме транзистора связан с током базы через статический коэффициент передачи тока базы «β»I = IбβкСледовательно, чтобы изменения коллекторного тока были сведены кминимуму, ток базы должен быть строго постоянным.

Постоянство базовоготока ─ эта основная проблема при создании источника тока.IбРТIбпUбэUбэпРис.13.2Изменения коллекторного тока за счёт эффекта Эрли конечно же будут,но эти изменения мало заметны. Поэтому уделим основное внимание посто-4янству базового тока. Обратимся к входной характеристике транзистора всхеме с ОЭ (рис.13.2).Из характеристики видно, что ток базы задан напряжением смещенияU бэп , следовательно, постоянство базового тока и коллекторного токов можетобеспечить строго постоянное напряжение смещения U бэп .

Таким образом,если мы обеспечим стабилизацию напряжения U бэп , то базовый и коллекторный ток будут оставаться практически постоянными.Для стабилизации напряжения смещения на базе можно использоватьнелинейный элемент, который под действием тока изменяет внутреннее сопротивление и, таким образом, напряжение на его зажимах остаётся постоянным. Входная ВАХ транзистора и ВАХ полупроводникового диода одинаковы, следовательно, даже температурные изменения напряжения эмиттерного перехода транзистора будут скомпенсированы изменениями напряжения диода. Схема с такой стабилизацией смещения на базе дана на рис.13.3.EkR1EkR1RнRнVTVDRэVDРис.13.3.Рис.13.4.В схеме использован диод в прямосмещённом состоянии. Ток через диодзадаётся элементом смещения R 1 .Показатели схемы источника на рис.

13.4 можно улучшить, если ввестив схему ООС. Схема источника тока с элементом ООС дана на рис.13.3. Вновой схеме полупроводниковый диод заменён на опорный диод (стабилитрон): при введении элемента ООС (R э ). напряжение смещения на базеуменьшилось, и для его увеличения был добавлен источник постоянного напряжения на стабилитроне. Выходной ток источника тока определяется следующим образом5I = I вых =к(U − U бэ) h 21д.(h 21 + 1) R эОсновное требование к стабилитрону в схеме ─ ТКН стабилитрона должен компенсировать температурные изменения параметров транзистора.3.

Источники тока на полевых транзисторах.Выходные характеристики полевого и биполярного транзисторов почтиодинаковы, поэтому источники тока на полевых транзисторах можно строитьпо тому же принципу, что и на биполярных транзисторах.50IсБАIс40302010ОU2468сиПри изменении напряжения в пределах«АБ» примерно на 7,5 В ток изменился на0,07 мА, что говорит о токостабилизирующих свойствах транзистора и о том,что сопротивление канала r диф в пределах«АБ» достаточно большое.10 ВUcРис.13.5..

Стоковая ВАХ полевоготранзистораНа рис. 13.5 наглядно показано как изменяется ток стока в полевомтранзисторе при значительных изменениях напряжения на стоке.Источники тока можно выполнить как на канальном транзисторе, так ина МОП-транзисторе (рис.13.6а и 13.6б соответственно).Анализ передаточных характеристик различных типов полевых транзисторов, показывает, что источники тока на МОП-транзисторах вполне можностроить по таким же схемам, которые были рассмотрены выше. Схемы источников тока на транзисторах с управляющим p-n-переходом выглядят гораздо проще, так как этот тип транзистора работает при полярности напряжения затвора, противоположной полярности напряжения на стоке.

Поэтому6источник тока на канальном транзисторе может быть получен при закорачивании выводов затвора и истока (рис.13.6а).Ес+EсRнIс1=IупрIс2= IнRс1VTRс2VT1RиVT2а).б).Рис.13.6.Напряжение на участке «затвор-исток», при этом, равно 0. Если вспомнить передаточную ВАХ такого типа транзистора (рис.13.7), то при такомсхемном решении ток через транзистор будет максимальным (I с.макс ).IсIс.максбIс.заданUзиUзиаαРис.13.7.Стабильность полученного тока полностью определяется стабильностьюхарактеристики.

Уменьшить выходной ток в этом случае можно введением вцепь истока резистора R и (пунктир), сопротивление которого можно рассчитать либо графически (по нагрузочной «аб», рис.13.7), либо аналитически. С7введением резистора R и стабильность схемы источника тока повышается, таккак в схеме начинает действовать ООС.Аналогично может быть построен источник тока на МОП-транзисторахс индуцированным или со встроенным каналами. Схема простейшего источника тока на МОП-транзисторах с индуцированным каналом может быть построена с использованием «токового зеркала» (рис.13.6б).Несколько слов о токовом зеркале.