Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 72
Текст из файла (страница 72)
9.33, получаем: Ео то = сс) = о а о (9. 89а) (9. 89б) (9.89в) В, = г„; У) = Ек + Е, — ЕО. Из выражений (9.89) можно сделать следующие выводы. Стабилизированный ток 1о задается цепью Ез, Во. Стабильность тока определяется в первую очередь стабильиостью величии Ес и У*. В частности, если температурные чувствительности зтих величин имеют разные знаки, то температурная чувствительиость тока будет превышать каждую из иих. Внутреннее сопротивлеиие В, возрастает с уменьшением тока (см. (5А4Ц. Значение Вр приведенное в (9.89б), соответствует абсолютно неизменному току змиттера. В реальных случа- Глава 9. Основы аналоговой слемотекники 404 ях, когда сопротивление Яэ имеет конечную величину, приращение А(2 распределяется между эмиттерной и базовой цепями.
В эмиттерной цепи получается приращение тока ~оз Уз б12 где коэффициент у, определяется формулой (9.14). Роль сопротивления В„в данном случае играет сопротивление опорного элемента Д на рис. 9.35„а. Таким образом, приращение выходного тока складывается из двух составляющих: ~о 2 ~2~~2 1 гк + пУ з Л(2 Отсюда легко получается выходное сопротивление в общем виде: Е = ЛУг/эл2 = гк(1 — ау,). (9. 90) Максимальное выходное напряжение в данной схеме может быть близким к величине У (см. (9.89вЦ, поскольку транзистор сохраняет усилительные свойства вплоть до значений У„з, близких к нулю.
Нестабильность тока 1 можно оценить по общей формуле (9.88), используя выражения (9.89). Если нагрузка присоединяется не к положительному, а к отрицательному источнику питания или «к земле», то стабилизатор строится на основе )з-л — р-транзистора (рис. 9.36, а). Эта схема аналогична предыдущей и характеризуется теми же выражениями. +Е„ тЕ„ а) Рис. 9.36.
Простейшие стабилизаторы тока на р — л — р-транзисторе: а — основной вариант, б — вариант с заземленной базой 405 9.11. Стабкакааторы тока На практике встречается вариант стабилизатора, показанный на рис. 9.36, б. Этот вариант характерен однополярным питанием и нулевым потенциалом базы (с точностью до небольшого падения напряжения 1згз). В результате потенциал коллектора оказывается положительным относительно базы, т.е. коллекторный переход смещен в прямом направлении. При етом формально транзистор работает в режиме двойной инжекции.
Однако, как известно, небольшие прямые смещения коллекторного перехода (меньше, чем У* — 0,1 В) не приводят к заметному уменьшению коллекторного тока. Следовательно, в области достаточно малых выходных напряжений (десятые доли вольта) данный стабилизатор работает нормально. Отражатели тока. Широкое распространение в аналоговых интегральных схемах получил стабилизатор тока, известный под названием »токовое зеркало» +Е к или отражатель тока (рис. 9.37). Легко установить формальное сход- На ~11 И ство между схемой отражателя тока и схемой простейшего стабилизато- Т2 ра: вместо стабилитрона (рис.
9.35, У1 У* а) в данном случае используются резистор В, и прямосмещенный я1 11к1 П 1~ка р — а-переход; роль последнего играет 2 транзистор Т1, включенный по диодной схеме БК-Э. Такая трансформация источника Ео приводит к повышению гибкости схемы и улучшению ряда параметров. Из рис. 9.37 следует равенство ('1 + 1»1В1 ~2 + 1»2В2.
(9. 91) На этом равенстве основывается работа отражателя тока. Омические слагаемые в (9.91) обычно не превышают значений У". Позтому, в зависимости от рабочих токов, сопротивления В1 и Вз лежат в пределах от сотен ом до 10-20 кОм. Пренебрежем для простоты малым током 1зз; тогда 1„= 11 и 1,2 = 12. Кроме того, предположим, что сопротивления В1 и В2 одинаковы, а транзисторы Т1 и Т2 идентичны (в ИС идентичвость транзисторов легко обеспечивается благодаря близкому расположению элементов на одном кристалле).
При таких Глава Э. О«вовы «л«лотовой ех«нот«хвэкх условиях слагаемые в левой и правой частях равенства (9.91) будут одинаковы, откуда следует: 1з = 1«. Значит, в рассмотренном варианте схемы выходной ток 1з повторяет или отражает входной ток 1«, откуда и название «отражатель«тока. Входной ток согласно рис.
9.37 выражается следующим образом: Гз = Фх кс)/1«э. Если Ех» Е, то ток 1, определен внешними параметрами Е„ и Г(о. Во многих случаях ток 1, поступает от тех или иных каскадов, входящих в состав сложного устройства, а значит, может считаться величиной заданной. Если сопротивления А~ и Лз сделать неодинаковыми, то неодинаковыми будут и эмиттерные токи. Поскольку напряжение ГГ,э слабо зависит от тока, будем по-прежнему считать ГГ~ = (Гз .
Тогда из (9.91) следует: (9.92) 12 1««(В«/Вз). Как видим, ток 1з может «отражать«ток Гз как в «увеличенном», так и в «уменьшенном«масштабе, в зависимости от соотношения сопротивлений. Этот масштаб обычно не превышает нескольких единиц, в противном случае резистор с большим номиналом занимает слишком значительную площадь. Из (9.92) следует, что выходнь«м током 1 можно управлять, меняя входной ток 1 тем или иным способом. Такая возможность — одно из проявлений гибкости отражателя тока.
Учет тока 1 «приводит к тому, что эмиттерные токи нэ точно равны токам 1, н 1 . А именно, Г 1 = 11 162, '1««!«+ 1«2. Прн этом э выражение (9.92) нужно внести соответствующие поправки. При больших значениях В, когда 1,««1«ю такие поправки несущественны. Необходимо подчеркнуть, что в выражение (9.92) не входят нн напряжение (Г, ни коэффициент усиления В. Это значит, что работа отражателя тока в первом приближении не зависит от изменения этих параметров, т.е. прежде всего — от изменений температуры. На самом деле такая зависимость (хотя и весьма слабая) имеет место, поскольку коэффициент В не войдет в вы- 9.11. Стазнлиааторы тока ражение (9.92) при учете тока 1оз, а напряжение У вЂ” при учете разности У, — У2, обусловленной различием эмиттерных токов.
Чтобы обеспечить особо малые выходные токи (например, при работе ДУ в микрорежиме) сопротивление Х1 делают равным нулю. Для такого варианта отражателя тока (рис. 9.38, а) формула (9.92) недействительна, так как пренебрегать различи- я ем напряжений У1 и У2 в этом случае нельзя. Воспользуемся для напряжений У, и У2 выражением (5.38б). Тогда из (9.91) при Х1 = 0 нетрудно получить следующую трансцендентную зависимость между выходным и входным токами: 12 (срт!Х2)(п(11/12) (9.93а) тЕ„ о) а) Рнс. 9.39.
Варианты отражателей тока: а — однореаисторный; о — беареаисторный Более наглядной является аппроксимация, выражающая связь токов в явном виде: 12 1' (9.93б) Как видим, в данной схеме зависимость тока 12 от 1 значительно слабее, чем в предыдущей, т.е. управление выходным током затруднительно. Выражения (9.93) легко использовать для расчета необходимого сопротивления Х2, если задаться желательными значениями токов. Пусть, например„1, = 0,5 мА и 12 = 10 мкА; тогда из (9.93а) следует: Х2 = 10 кОм.
При этом падение напряжения 12Х2 (т.е. разность Ут — У2) составит около 100 мВ. 408 Глава В. Осиовм аиалотовой схемотехииви Из выражений (9.93) видно, что зависимость отношения токов от коэффициента В по-прежнему отсутствует, но имеет место непосредственная зависимость тока 1з от температуры через температурный потенциал ут.
Для уменьшения этой зависимости желательно, чтобы резистор Вз имел такой же температурный коэффициент, как и от, а именно 0,33 '/е/ 'С. Такие значения ТКС легко обеспечить в интегральных резисторах. Еще один вариант отражателя тока (рис. 9,38, б) характерен отсутствием резисторов, т.е. минимальной площадью на кристалле. Однако если 1 а 1э, то один из транзисторов приходится делать с большей площадью, и тогда экономия по сравнению с резисторным вариантом в значительной мере утрачивается. Полагая Аз = Вэ = 0 в выражении (9.91) и подставляя значения (/~ и (/з из (5.38б), легко убедиться, что отношение токов 1 /1, пропорционально отношению тепловых токов 1, /1„„. Тепловые токи при прочих равных условиях пропорциональны площадям переходов.
В интегральных схемах «прочие равные условия» (т.е. идентичность электрофизических параметров) обеспечиваются близким расположением транзисторов. Учитывая все сказанное, можно записать для схемы на рис. 9.38, б: (9.94) 1з = 1~(Яэ/Я~), где Ят и Яз — площади эмиттерных переходов. В данном варианте, как и в основном (рис. 9.37), влияние изменений коэффициента В и напряжения (/* в пером приближении отсутствует. В небольшой степени такое влияние имеет место, если учесть ток 1сэ, о чем говорилось выше.
Чем больше площадь Яз, а значит и ток 1, тем больше базовый ток и тем больше погрешность при использовании выражения (9.94). На практике отношение токов и площадей редко превышает несколько единиц и тогда погрешность лежит в пределах до 2 — 5 % . В заключение отметим, что выходное сопротивление В, в отражателе тока может заметно отличаться от сопротивления г„, которое было принято для простейшего стабилизатора (см. (9.89б)). Дело в том, что у простейшего стабилизатора сопротивление эмиттерной цепи всегда намного больше, чем базовой, поскольку в эмиттерную цепь включено достаточно большое сопротивление В,.
Поэтому коэффициент токораспределения у, в формуле (9,90) обычно не превышает 0,1-0,2. В отражателях тока сопротивления эмиттерной и базовой цепей транзистора Контрольные вопросы Т2 могут находиться в разных отношениях, в частности, может иметь место неравенство Вс > В,. В таком случае выходное сопротивление транзистора Т2, а значит, и внутреннее сопротивление отражателя тока следует рассчитывать по формуле (9. 90). Например, в схеме на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
