Генераторами стабильного тока принято называть устройства, выходной ток которых практически не зависит от сопротивления нагрузки. Он может найти применение, например в омметрах с линейной шкалой.
На рис. 1 приведена принципиальная схема генератора стабильного тока на двух кремниевых транзисторах. Величина коллекторного тока транзистора V2 определяется отношением
Iк=0,66/R2.
Например, при R2, равном 2,2 к0м. ток коллектора транзистора V2 будет равен 0,3 мА и остается практически постоянным при изменении сопротивления резистора Rx от 0 до 30 к0м. При необходимости величина постоянного тока может быть увеличена до 3 мА, для этого сопротивление резистора R2 необходимо уменьшить до 180 Ом.
Дальнейшее увеличение тока при сохранении высокой стабильности его величины как при смене нагрузки, так и при увеличении температуры возможно лишь при использовании трехтранзисторного генератора, показанного на рис. 2. При этом транзисторы V2 и V3 должны быть средней мощности, а напряжение второго источника питания - в 2...3 раза больше напряжения питания транзисторов V1, V2. Сопротивление резистора R3 рассчитывается по вышеприведенной формуле, но дополнительно корректируется с учетом разброса характеристик транзисторов.
Рассмотренные в предыдущих разделах автоматические способы стабилизации режима в аналоговых интегральных микросхемах (ИМС) не желательны, так как они требуют применение высокоомных резисторов, занимающих большую площадь, и конденсаторов большой емкости, которые не возможно реализовать в интегральном исполнении. Поэтому в аналоговых ИМС для задания режима и его стабилизации используется параметрический метод.
|
Наиболее распространенными функциональными элементами, служащими для задания и стабилизации режима в аналоговых ИМС, являются генераторы стабильного тока (ГСТ). ГСТ должен обеспечивать стабильный ток, независящий от параметров цепи (температуры, изменения напряжения питания и нагрузки), т.е. в идеале он должен обладать бесконечно большим динамическим (по переменному току) выходным сопротивлением. Для реализации ГСТ в микросхемах обычно используют два и более транзисторов, параметры которых идентичны. На рис. 2.14, а приведена схема ГСТ, которая нашла большое применение в аналоговых ИМС.
Так как транзистор VT1 включен как диод, то напряжения база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 будут совпадать. Поскольку эти транзисторы – интегральные (имеющие 
и незначительный разброс параметров), то отношение их эмиттерных, а значит, и коллекторных токов будет равно отношению площадей их эмиттерных областей:
. (2.38)
Пренебрегая токами баз и вводя обозначение 
, получим 
. На практике k выбирают в диапазоне 1…5. Таким образом, ток 
следит за током 
и точно отображает любое его изменение. Поэтому данная схема получила название токовое зеркало.
Поскольку VT1 используются в диодном включении, то ток I1 можно застабилизировать с требуемой точностью путем задания его с помощью внешних элементов: источника питания 
и резистора 
. Из схемы на рис. 2.14 следует, что
, так как .
При изменении температуры
, (2.39)
где 
.
Таким образом, подбирая нужное значение , можно обеспечить требуемую стабильность , значит и . Данная схема позволяет достичь температурной стабильности порядка 5 %.
Если транзисторы VT1 и VT2 имеют идентичную геометрию (т.е. k=1), то учет базовых токов 
и 
приводит к соотношению
= -( + ) (2.40)
или
. (2.41)
Значит, даже при полной стабильности опорного тока , ток ГСТ будет меняться за счет изменения базовых токов.
Температурную стабильность ГСТ можно повысить, если вместо двух транзисторов использовать три (рис. 2.14, б).
В этой схеме ток базы VT2 вначале вычитается из опорного тока , а затем возвращается в базу опорного транзистора VT1, тем самым поддерживая на постоянном уровне токи и при изменениях базового тока. Напряжение база-эмиттер VT3 фиксирует смещение опорного транзистора VT1, который в свою очередь стабилизирует уровень тока VT2. Как показывает анализ схемы:
(2.42)
При 
и разбросе параметров не более 20% отличие 
от 
не превышает 0,5%. Кроме того, данная схема имеет более высокое выходное сопротивление, чем схема на рис. 2.14, а.
Недостатком схем с диодным смещением является ограниченность отношения площадей эмиттеров транзисторов (
). Поэтому при k>5 желательно применять схему с резисторным смещением (рис. 2.13, в), в которой для фиксации токов используется отношение сопротивлений, а не площадей эмиттеров.
Пренебрегая током базы VT2, получим
(2.43)
или
. (2.44)
Из (2.44) следует
. (2.45)
Если 
, то
. (2.46)
Из (2.46) следует, что отношение токов можно варьировать в широких пределах (до двух порядков) независимо от температуры с ошибкой до 10%.
Схема имеет более высокое выходное сопротивление, чем схема на рис. 2.13, а, так как за счет резистора 
в транзисторе VT2 возникает ООС по току.
Если требуется получить низкое значение тока ГСТ при больших значениях опорного тока, то надо в схеме с резисторным смещением исключить резистор ( =0). В этом случае 
и если геометрии VT1 и VT2 идентичны, то VT2 работает при более низком токе, чем VT1, т.е. < .