Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Для многих ИС требуются токи порядка микроампер или меньше. Для тока 1,0 мкА требуется сопротивление Я! = 14,3МОм. Если 17! — обычный (т. е. дискретный) резистор, то большой проблемы не возни- и" ят ОН»с =!тй! Рис. 3.8. Мсточннн тока длн низких урон. нея тока. кает, так как резистор 14 МОм стоит приблизительно столько же и имеет примерно те же размеры, объем и массу, что и резистор 14 кОм. Но в интегральных схемах резисторы занимают площадь на кремниевом крис!алле, приблизительно пропорциональную своему сопротивленшо. Следовагельно, соответствующая «стоимость» резистора, выраженная через его «реальную площадь» па кристалле, тем больше, чем больше сопротивление.
По в!ой причине следует по возможности избегать использования в 11С рези сторов с сопротивлением выше 50 кОм. В связи с этим для уровней тока ниже 1,0 мА рассмотрим модификацию источника тока (рис. 3.8). Модификация состоит в том детпонники постоянного тока, напряжения и опорного напряжения !И „о последовательно с эмиттером транзистора !1я включен резистор р, При этом больше не выполняется равенство Ула, = (твв, вследствие падения напряжения на Рг. В этом случае имеем ! Ве, = 1 Ве, 1гйя.
(3.7) для анализа этой ситуации обратимся к основному экспоненпиальному соотношению для транзистора в активной области ~ежду током коллектора и напряжением база — эмиттер: 1с = /тс ехр Яия/!/т) (3.8) Для двух идентичных транзисторов отношение токов коллектора определяется следующим образом: еяр (т' /!т ) сг й (3.9) где Лрвв = )твв, — Увв, В РассматРиваемом слУчае Л "йал = = 1,%, откуда 1д1г = /с,//с, = ехр (1гйеХт) Вследствие введения резистора Йя в схему ток 1, больше не равен 1„поэтому можно получить 1, много меньше, чем 1,.
Рассмотрим характерный пример. Для этого примем 1, = = 1,0 мА, как прежде, ио расчет будем вести для 1р — — 1 !О мкА = 0,01 мА. Поскольку отношение токов 1,/1, = = 1,0 мА/0,0! мА = !00 = ехр (1яйя/!/,), имеем 1гйя/Ъ'т = =!п!00 = 4,6, откуда 11я = 4,6 М 25 мВ/!О мкМ = !1,5 кОм. Как и прежде, й, = 14,3 кОм, поэтому для суммарного сопротивления й, + Я, = 26 кОм можно получить уровень тока = 10 мкА.
Без подключения 11г придется увеличить /с, до 14,3 ВПО мкА = 1,43 МОм. Таким образом, в данной схеме возможна реализация уровней тока в микроамперном диапазоне с приемлемыми значениями суммарного сопротивления схемы (меныпе 50 кОм). Рассмотрим теперь, как влияет эта модификация схемы на другие параметры источника тока, например на диапазон линейного изменения напряжения и выходную проводимость. Вследствие падениЯ напРЯжениЯ на /ся весь диапазон линейного изменения напряжения сдвинется на /гав',.
В большинстве случаев это вызовет лишь очень небольшой сдвиг диапазона. Например, в рассмотРенном слУчае 1я/С, = 4,6 м 25 мВ =- 1!5 мВ. ДлЯ !т+ = = 15 В и т' = — 15 В диапазон линейного изменения напряжения сдвинут с †!4,8 †; +35 В до †!4,7 †: +34,9 В, т. е. почти на пренебрежимо малую величину.
С дрУгой стоРоны, введение в схемУ сопРотивлениЯ )хя вызывает очень большое изменение выходной проводимости, что яв« ля~тся полезным эффектом. В схеме при включенном Ия необхо- 170 Гявва 3 димо рассмотреть полное уравнение для выходной проводимости транзистора, выведенное в припоя<енин Б. /о ! + (/с/Ъ г) (2е+ 2я)/Р Кя 1+ (/аЯг)(2ь+ (2в+ 2в)/Ц Для этой схемы Яв = /г„2о — динамический импеданс относительно базы (/к. Динамический импеданс состоит из параллельно соединенных Я, и динамического сопротивления транзистора Я, в диодном включении. Динамическое сопротивление транзистора в диодпом включении равно гв = Ъ'г/1, = 25 мВ/1,0 мА = 25 Ом.
Следовательно, 2в = /7,~,'гв —— !4,3 кОм~)25 Ом ж 25 Ом. Поскольку !с = /с, = 1о = 10 мкА, то, полагая, как и выше, (гя = 250 В, получаем (ОикА ( + (! 0 нкА/25 ип) (( (,5 кОк)/Р Ко Кс 250В ! -1- (10 икА/25 мВ) ((1,5 кОм +! (,5 кОи/р) ' Учитывая, что 25 мВ/10 мкА = 2,5 кОм, для й ~ 100 имеем (! 1,5 кОм!2,5 кОм)/р (( 1, откуда ио = ис 0,04 мкСм/(! + 11,5/2,5) = 40 нСм/5,6 = 7,14 нСм.
(3.!2) Таким образом, до = 7,14 нСм = 7,14 пА/В и го = 1/до = = 140 МОм, или Значит, выходной ток возрастет на 0,07 % при увеличении напряжения на источнике тока на ! В. При изменении )го на 10В изменение /о будет меньше 1 к4, поэтому источник тока действительно является очень близкой аппроксимацией идеального. Заметим для сравнения, что в схеме прн /7, = 0 нормиронанное изменение выходного тока 0,4 %/В, и, следовательно, схема при наличии /7к относительно указанного параметра в б,б раз лучше. 3.1.3.
Зависимость тока источника от напряясения питания. На практике желательно, чтобы сила тока источника как можно слабее зависела от постоянного напряжения питания. Рассмотрим зависимость тока источника от напряжения питания иа примере источника для низких уровней тока (рис. 3.8). Экспоненциальное соокношение между токами коллекторов и напряжениями база— эмиттер имеет вид 1,/1, = ехР (ЬЪгвь/Ъг,) = ехР (/Як/)гг), (3.14) откуда 1, = 1к ехр (!к/7к/)/т). Дифференцирование дает ()!,!й!к = ехР (!катк/Ъ'г) + (Кк/(гг) 1, ехР (1к/7к/(гг) = = (!,/!к) + (1,//к) 1п (1,/1к) = (1,/!к) (1 -)- 1п 1,/1,). (3.! 5) Иотокники иостокнного тока, нацдияииии и аиодимид ито(оиитнии (дд Обратная величина имеет вид И', 1', !+(и'(1,/1,) (3.)6) для относительного изменения токов Нд/1д и д(1д11д дддаеаМ й/о й/! ! /о 1о 1+ (и(11/13) .
Например, если 1, = 1,0 мА и 1, = )О мкА = 0,0! мА, как выше, то (1д/!д) = !п !00 = 4,6, так что И1, И!, 1 1о 1, 6,6 ' (3.!8) Таким образом, относительное или процентное изменение выходного тока источника /о = 1о в 5,6 раза меньше, чем изменение тока 1,. В схеме с )то = О имеем 1, = 1д„откУда !п (/д/11 0 н относительное изменение 1, равно изменению 1,. Ток 1, связан с напряжением питания соотношениями! т, е. относительное изменение 1, равно относительному изменению напряжения питания У,„ро!. Следовательно, для относительного изменения 1, имеем о(/д/1о ~ (!(У оо)/У ои!) (! + !п 1д//о) * (3'2!) Таким образом, для отношения токов !00: ! относительное (или процентное) изменение 1, приблизительно в 5,6 раза меньше, чем относительное (или процентное) изменение поляого напряжения питания. Например, при У' = + !5 В и У = — !5 В получаем Укори! = 30 В.
При изменении полного напряжения питания на ! В процентное изменение тока источника 1о = 1, Равно — Х !ООо/, - — — х !00о6 =О,бой/В. Ид (В ! /о о ЗОВ'66 (3.22) Таким образом, ток источника изменяется приблизительно на О 6 з! при изменении полного напряжения питания на ! В. Эта 'ависимость тока от напряжения питания является важной хаРактеристикой, когда рассматривают такие параметры, как изменение усиления усилителя в зависимости от напряжения питания " козффициент уменьшения потребляемой мошности.
1, = (У' — У вЂ” Уав)Я, ж (У+ — Р' )/Яд = Удиви!Яд. (3.)9) Отсюда легко видеть, что «/д//д — «Уоиррд/Удира!» 172 Глава 8 3.1.4. Температурный коэффициент источника тока. Рассмо. трим влияние температуры на источник тока. Начнем с основного соотношения между двумя токами транзисторов 1, = 1, )е х ехр ( †/в/(в/Ут). Поскольку ток 1, сам зависит от темпера туры и Уг —— нТ/г/, производная 1, по температуре равна г(/в в(/г /а г ! /вкв ! "/а /акг /в вйв 2 — +/в'1 + г/т = г/т 1, ' ~ Уг /, ит тУ, Уг ит1 ° (3.23) Поскольку 1, = (У,„р.! — Уие)//7„получаем ТК /1 —— в(/ ! )т, г/У /г/т Ж в/т /7 в/т ТК /.г "Уне/в/т У в арр! (3.25) где ТК /7г = (1//7,) (г/йг/г/Т) — температурный коэффициент сопротивления /7г.
Подставляя выражение для температурного коэффициента тока /„ТК /„в выражение для температурного коэффициента тока /.„приходим к выражению г(' а ! и /(г (ЫУне//т)/Угаррд /т ! + !и (11//в) д (!/т) !и (/,//в) — !и (/г//в) тК На ! + !и (/г/1,) Рассмотрим теперь типичный пример. Для ИС-резисторов теъ!пературный коэффяциент обычно составляет около +2000 млн '/'С= -1-2 10 '/'С.
Для в/Унв/г/Т значение — 2,2 мВ/'С является вполне подходящим. Снова выберем 1,/1, = 100, откуда 1п (1,/1,) = 4,6 и Уг„ррг — — 30 В, Подстановка в выражение (3.26) дает 2 !О-а+ (22 иВ/30 В) + ( 1/300) (4 6) 4 6 + 2, 10-в в !+4,6 = 0,751.10 '/'С = 751 млн '/'С = 0 0751 и/иГС (3 27) Заметим, что наиболее существенный вклад в выражение для ТК 1, вносят члены ТК /7„ТК /7в и (1/Т) 1п (1,/1,). Вычисление ТК 1, с учетом только этих членов дает 0,074 вь/'С.
Расчет температурного коэффициента выходного тока источника показывает, что по сравнению с предыдущим примером ток возрастает на 0,075 вй/'С. Это отклонение тока источника при из- Разделив это равенство на /„получим /, х ! и/г — — '~1+ (п — 'л! = — — '+ — )п — ' — 1п — ' ит ~ /'а)= /, ит' т /,' /,' /7, ит' (3.24) Источники постоянною тока, напряжения и опорного напряжения [73 еиечии температуры внесет вклад в изменение усиления усиливая и приведет к небольшому колебанию напряжения смещения в зависимости от температуры. 3,1,5. Схелга токового зеркала уилсона.
рассмотрим схему, наываемую токовым зеркалом Уилсона (рис. 3.9). Эта схема имеет значительные преимущества по сравнению с простой схемой токового зеркала, рассмотренной выше. ~г, ~Уса Рис. Зкь Токовое эерквло Уилсона. Взаимная компенсация базовых токов.
Для анализа будем считать все транзисторы идентичными. Поскольку Яг и Яв имеют одинаковые напряжения база — эмиттер, 1с, = 1с,. Базовые токи очень малы по сравнению с коллекторными, поэтому 1, ~ 1 ж 1с„т, е. все базовые токи приблизительно равны между собой. Отсюда следует, что узловые уравнения имеют вид 1г=1с, +1в 1г=1с, + 21в 12 13+ 1В (3.28) (3.29) (3.30) и кроме тогз, 1с, = 1с,. Подстановка формулы (3.29) в (3.30) дает 1э 1г — 1в = 1с, + 21в — 1в = 1с, + /в = 1с, + 1в (3.32) Из с ав что 1 сравнения последнего равенства с формулой (3.23) следует, 1в = 1г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
