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)

где  – 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.