Синтезирование и исследования генератора стабильного тока (ГСТ) на транзисторах

Цель работы: синтезировать и провести исследования генератора стабильного тока (ГСТ) на транзисторах.

Теоретические сведения. Распространенными представителями ГСТ являются отражатели тока (токовые зеркала), получившие широкое применение в аналоговых микросхемах. Отражателем тока называется устройство, ток которого, протекая в одной ветви цепи, точно воспроизводится в другой независимо от параметров последней.

Стабильный, не зависящий от параметров цепи, ток может обеспечить только идеальный генератор тока с бесконечно большим динамическим выходным сопротивлением, ВАХ которого параллельна оси напряжения. ВАХ неидеального генератора тока, например ГСТ, несколько отличается от идеальной, а его динамическое выходное сопротивление хотя и очень большое (десятки-сотни мегаом), но не равно бесконечности.

На практике в микросхемах для реализации ГСТ используют не один, а два и более транзисторов, параметры которых практически идентичны.

Известны две основные схемные реализации ГСТ в микросхемах: источники тока и токоотводы. Поскольку транзисторные ГСТ, являясь своеобразными вторичными источниками питания, в идеале должны обладать бесконечно большими выходными сопротивлениями, то их выходной транзистор всегда подключается к нагрузке коллектором или стоком. Другое подключение выходного транзистора к нагрузке не обеспечивает большого выходного сопротивления ГСТ. Т.о. ГСТ, реализованный на р-п-р или с р-каналом транзисторах, подключается к выводу «плюс» источника питания, а нагрузка, которая последовательно соединяется с ГСТ, - к выводу «минус». При таком последовательном соединении источника питания, ГСТ и нагрузки получается, что ГСТ задает ток нагрузке, являясь источником тока. ГСТ, реализованный на п-р-п или с п-каналом транзисторах, должен подключаться к выводу «минус» источника питания, а нагрузка – к выводу «плюс». В результате ГСТ как бы отводит стабильный ток от нагрузки. Отсюда такое название – токоотвод.

Т.к. основными транзисторами современных микросхем являются транзисторы п-р-п типа, то в микросхемах чаще всего находят применение не источники тока, а токоотводы.

В микросхемах часто применяют токоотводы с резисторным смещением (рис 1).

Для этой схемы выполняется равенство   

В зависимости от рабочих токов сопротивления резисторов R₁ и R_Э выбираются в пределах от сотен ом до десятков килоом и увязываются с падением напряжений на эмиттерных переходах транзисторов. Пренебрегая током базы транзистора VT2 I_Б2, можно записать , . При равенстве сопротивлений резисторов и идентичных параметрах транзисторов наблюдается равенство токов I₀=I₁. Т.о. выходной ток I₀ повторяет (отражает) входной ток I₁.

, где φ_Т – температурный потенциал (φ_Т=Т/11600), m – коэффициент. Из полученного выражения находят соотношение токов:

Можно получить отношение токов d≈0,1÷0,9.

Динамическое выходное сопротивление (ДВС) такого токоотвода определяют по формуле:

, где D_б=h_11бh_22б-h_12бh_21б; с учетом параметров схемы R_б=h_11б, h_21б=-1. Тогда формула для ДВС принимает вид:

Средние значения h-параметров интегрального транзистора для схемы с общей базой имеют следующие значения: h_11б=30 Ом, h_22б=3*10^-7 См, h_12б=3*10^-4.

Исходные данные:

1. генератор стабильного тока на двух транзисторах с отрицательной обратной связью(ООС) по току (через резисторы);

2. фиксированный ток I₀=4 мА;

3. транзисторы КТ361Б, КТ361Г, КТ361Е;

4. напряжение питания Е_п1=10 В.

Расчеты.

Пусть схема реализована на транзисторах КТ361А.

1.  Для данной схемы ГСТ можно записать равенство

Пренебрегая током базы транзистора VT2 , величина которого пренебрежимо мала по сравнению с величиной задающего тока I₁ и величиной выходного тока I₀, можно принять, что ,. Тогда

Транзисторы КТ361Б, КТ361Г кремниевые, поэтому для них можно принять U_БЭ1=U_БЭ2=0,7 В. Значит

Из данного равенства отношение токов равно

Для данной схемы ГСТ можно получить отношение токов d≈0,1÷0,9. Пусть d=0,8. Тогда величина задающего тока I₁=I₀/0,8=5 мА.

Для цепи транзистора VT1 можно записать равенство

Отсюда

Пусть R₁=R₂=0,93 кОм. По ряду стандартных значений сопротивлений выбираем R₁=R₂=1 кОм.

Учитывая равенство , можно найти сопротивление резистора R_Э:

По ряду стандартных значений сопротивлений выбираем R_Э=1,5 кОм.

Тогда в пересчете величины задающего и выходного токов равны соответственно

Для цепи транзистора VT2 можно записать соотношение

Напряжение стабилизации Е_п2 по значению может отличаться от напряжения питания Е_п1, поскольку нагрузкой ГСТ часто являются другие каскады, например каскады дифференциальных усилителей, поэтому цепи транзисторов VT1 и VT2 необходимо стабилизировать отдельно. Предположим, что Е_п2=10 В, тогда U_КЭ2≈4,4 В.

Для транзисторов КТ361А при комнатной температуре статический коэффициент передачи тока h_21Э=20÷90. Пусть h_21Э=80, тогда

Итак, соотношение выходного тока I₀  и задающего тока I₁ составляет .

Оцениваем ДВС токоотвода:

Т.о. получили очень большое значение ДВС, что соответствует назначению ГСТ. На практике ДВС токоотвода не может быть таким большим, оно достигает нескольких десятков килоом.

2. В пункте 1 рассматривался случай, когда оба транзистора VT1 и VT2 работают при комнатной температуре.