Синтез и расчет генератора стабильного тока на транзисторах

Министерство образования Российской Федерации

Владимирский государственный университет

Кафедра конструирования и технологии радиоэлектронных средств

Отчет по лабораторной работе №1

по дисциплине «Схемотехника электронных средств»

«Синтез и расчет генератора стабильного тока на транзисторах»

Выполнил

ст. гр. РЭ-101

Проверил

Владимир, 2003

Цель работы.

Синтез генератора стабильного тока на транзисторах, исследование его параметров при различных условиях.

Краткие теоретические сведения.

Генератор стабильного тока (ГСТ) является базовым каскадом интегральных операционных усилителей, где широко применяется в качестве высокоомного динамического сопротивления нагрузки или источника фиксированного тока. Схема простейшего ГСТ показана на рис. 1. Он состоит из двух транзисторов, причем транзистор VT1 включен диодом. Так как U_бэ1= U_кэ1= U_бэ2, то VT1 задает напряжение смещения для VT2, а следовательно, и ток I_o. Транзистор VT1 хотя и включен диодом, однако работает на активном участке входной статической (базовой) характеристики, и поэтому I_к1= h_21э1I_б1. Если транзисторы выполнены на одной пластине по единой технологии, то при равных напряжениях смещения U_бэ обоих транзисторов ток I_o почти равен току I₁. В свою очередь ток I₁ равен

.

Очевидно, что ток I₁, а следовательно, и ток I_o зависят от U_ст и R₁. Если I₁ увеличится, например, из-за увеличения U_ст или уменьшения R₁, то увеличится и U_бэ1 до такого значения, при котором между U_бэ1, I_б1 и I_к1 установится соответствующее характеристикам транзистора VT1 равновесие. Но при этом увеличится и U_бэ2 и I₀. Следовательно, напряжение U_ст должно быть обязательно стабильным, что является недостатком. Сравнительно высокоомным является лишь сопротивление r_кэ2 выхода VT2 в схеме с ОЭ. Сопротивление между точкой А и общим проводом низкоомное (примерно R_{вх ОЭ}/2), и его нецелесообразно использовать в качестве нагрузочного, что и желательно в интегральных ОУ. Отношение токов в этом ГСТ (при равенстве коэффициентов передачи базового тока)

.

При неизменном I₁ из-за разброса h_21э точность установки I₀ может оказаться недостаточной.

Коэффициент усиления K_{u д} в дифференциальном усилителе равен

.

Такой ГСТ получил название «отражатель тока», «токовое зеркало».

Расчетная часть.

Исходные данные:

генератор стабильного тока – «классическое токовое зеркало»;

транзисторы типа КТ315Б (КТ3101Б, Г, Е);

фиксированный ток I₀=1 мА.

Справочные данные для транзистора типа КТ315А:

максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – эмиттер U_{КЭ max}=20 В;

максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер – база U_{ЭБ max}=6 В;

максимально допустимый постоянный ток коллектора I_{К max доп}=100 мА;

h-параметры при режиме U_КЭ=10 В, I_Э=1 мА h_21Э=50-350;

диапазон рабочих температур - -60…+100º С (213-373 К).

Условная схема генератора стабильного тока – «классического токового зеркала» показана на рис. 1.

1.  Расчет ГСТ для заданного режима

Определим величины сопротивления R₁,  значения задающего и базовых токов, напряжений U_БЭ1, U_БЭ2.

Для расчетов примем значения коэффициентов передачи базового тока обоих транзисторов равным h_21Э1= h_21Э2=100 (допущение о равенстве верно для интегрального исполнения ГСТ, когда оба транзистора выполнены на одном кристалле в едином технологическом цикле, а для дискретных элементов оно вряд ли верно).

Примем напряжение питания Е_пит=10 В, стабилизированное напряжение U_ст=10 В. Они не превышает максимально допустимого постоянного напряжение коллектор – эмиттер U_{КЭ max}=20 В.

Считаем, что напряжения база – эмиттер U_БЭ для обоих кремниевых транзисторов равно 0,6 В.

В то же время U_БЭ1=U_БЭ2= U_КЭ1.

Равенство напряжений база – эмиттер означает и равенство (в некотором приближении) токов баз транзисторов I_Б1=I_Б2=I_Б.

Ток I₁ равен по I закону Кирхгофа I₁=I_К1+I_Б1+I_Б2= h_21э1I_Б1 +2I_Б=I_Б(h_21э1+2).

Ток I₀ равен I₀=h_21э2I_Б2=h_21э2I_Б.

Тогда отношение токов

.

При h_21э1= h_21э2>>1 (сотни) получаем , для h_21э1= h_21э2=100 d ≈0,98.

Сопротивление резистора R₁ определяется по II закону Кирхгофа

,             т. е.  Ом.

Выбираем  резистор R₁ в соответствии со стандартными значениями  сопротивлений по ряду Е24 - R₁=9,1 кОм (9,1к).

Тогда ток мА.

При h_21Э1= h_21Э2=100 токи баз транзисторов следующие

А (10 мкА).

Поскольку сопротивление нагрузки может меняться до нуля, то, так как максимально допустимый постоянный ток коллектора I_{К max доп}=100 мА, необходим резистор в цепи коллектора транзистора VT1 сопротивлением

 Ом.

При подключении к ГСТ нескольких (n) транзисторов отношение d_i тока I_0i в их коллекторных цепях к току I₁ (при равенстве токов баз) примет следующий вид

, т. е. отношение токов сильно зависит от параметров каждого транзистора, снижается точность установки тока.

Динамическое выходное сопротивление ГСТ равно

.

Оценочное значение выходного сопротивления при h_11Б=40 Ом, h_12Б=3,5∙10^-4, h_22Б=4∙10^-7 См составляет

 Ом (100 кОм).

Это значение несколько меньше, чем у других схем ГСТ и, тем более, чем у идеального источника тока.

2. Влияние температуры на выходной ток I₀

При изменении температуры транзисторов меняются их характеристики. Так, при повышении температуры входная характеристика I_Б=f(U_БЭ) смещается ближе к оси ординат (рис. 2). Изменение коэффициента передачи тока базы h_21э в некотором интервале температур около 300 К (253-333 К) можно приближенно считать линейным, примерная зависимость показана на рис. 3. На каждые 10 °С коэффициент β изменяется примерно на 7.

 Рис. 3. Зависимость β=f(Т)