Синтез и расчёт генератора стабильного тока на транзисторах

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Владимирский Государственный Университет

Кафедра КТРЭС

Лабораторная работа №1

По дисциплине «Схемотехника ЭС»

«Синтез и расчёт генератора стабильного тока на транзисторах»

Выполнил:

студент группы РЭ-104

Проверил:

Владимир 2006

Лабораторное задание №21-а

Синтезировать и провести исследование генераторов стабильного тока (ГСТ) на транзисторах:

2 вариант – ГСТ на трёх транзисторах.

Исходные данные:

Транзисторы КТ-315Б ( КТ3102 Б,Г,Е);

Фиксированный ток I₀ = 2мА.

Схема ГСТ на трёх транзисторах:

Расчёт ГСТ для заданного решения

Необходимо найти соотношение между задающим  током I₁ и выходным током I₀.

Примем напряжение питания Е₀= Е₁=Е_пит=10 В. Они не превышает максимально допустимого постоянного напряжения коллектор – эмиттер U_{КЭ max}=20 В.

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

Такие ГСТ используются в интегральных микросхемах, поэтому можно считать, что параметры транзисторов идентичны.

,

.

Таким образом, соотношения между токами:

,

При h_21э1= h_21э2>>1 получаем:

Сопротивление резистора R₁ определяется по II закону Кирхгофа

, т. е.  Ом.

Выбираем  резистор R₁ в соответствии со стандартными значениями  сопротивлений - R₁=4,3 кОм.

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 h_21Э1= h_21Э2=200 токи баз транзисторов следующие

А (10 мкА).

Влияние температуры на выходной ток

При изменении температуры транзисторов меняются их характеристики.

Нагреваем транзистор VT1. Моделирование показывает, что при этом задающий ток I₁ практически не изменяется (немного увеличивается), а ток I₀ значительно уменьшается.

Ток I₁ определяется как:

.

При нагреве транзистора VT1 его характеристики изменяются так: напряжение U_БЭ1 уменьшается, напряжение U_КЭ1  также уменьшается. Разница напряжений  Е_п - U_КЭ1 при этом незначительно увеличится, что приведёт к незначительному возрастанию тока I_1. Уменьшение напряжение U_КЭ1 сопровождается увеличением коллекторного тока I_К1. По первому закону Кирхгофа I_Б2 = I₁ - I_К1 , а т. к. I_К1 увеличивается больше чем, ток I₀ , то базовый ток второго транзистора будет уменьшаться. Следовательно, уменьшится и его коллекторный ток I₀.

Нагреваем транзистор VT2. Моделирование показывает, что при этом токи I₁ и I₀ будут увеличиваться.

При нагреве транзистора VT1 его характеристики изменяются так: напряжение U_БЭ2 уменьшается, напряжение U_КЭ2  также уменьшается.

Ток I₁ можно определить как:

, исходя из чего и увеличивается ток I₁.

Уменьшение напряжение U_КЭ2 сопровождается увеличением тока коллектора I₀(вверх по нагрузочной прямой).

Нагреваем транзистор VT3. Моделирование показывает, что при этом ток I₁ не меняется, а I₀ резко увеличиваться.

Транзистор VT3  здесь имеет диодное включение, напряжение на нём равно U_БЭ1 (по второму закону Кирхгофа), т. е. практически постоянно. При нагреве данного диода происходит резкое увеличение его тока, а следовательно и тока I₀.

Влияние замены одного из транзисторов на выходной ток I₀

Меняем транзистор VT1 на другой с большим коэффициентом h_21э. Моделирование показывает, что при этом выходной ток I₀ уменьшается.

В данных условиях увеличится ток I_К1. По первому закону Кирхгофа  I_Б2 = I₁ - I_К1 , а т. к. I_К1 увеличивается, то базовый ток второго транзистора будет уменьшаться. Следовательно, уменьшится и его коллекторный ток I₀.

Меняем транзистор VT2 на другой с большим коэффициентом h_21э. Моделирование показывает, что при этом выходной ток I₀ увеличивается.

При увеличении коэффициента передачи по току коллекторный ток I₀ будет возрастать напрямую.

Меняем транзистор VT3 на другой с большим коэффициентом h_21э. Моделирование показывает, что при этом выходной ток I₀ немного уменьшается.

При замене данного транзистора получаем диод с менее крутой характеристикой, поэтому при постоянном напряжении ток буде меньше.

Влияние сопротивления нагрузки на выходной ток I₀

Моделирование показывает, что сопротивление нагрузки R_н никак не влияет на выходной ток I₀.

Ток I₀ по II закону Кирхгофа равен

.

Все возможные значения тока I₀ фиксирует нагрузочная прямая, проведенная на выходной характеристике транзистора. При неизменном напряжении база – эмиттер U_БЭ2 ток базы I_Б2, ток коллектора I₀=I_К2=h_21э2∙I_Б2 постоянны.

При изменении сопротивления нагрузки R_н нагрузочная прямая либо опускается, либо поднимается. Ток I₀ при этом остается постоянным, зато меняется напряжение U_КЭ2.

Влияние величин напряжений питания на величины задающего и выходного токов

Моделирование показывает, что с увеличением напряжения питания Е₀ токи I₁ и I₀ также возрастают. При увеличении же напряжения питания Е₁ увеличивается лишь выходной ток I₀.

Зависимости задающего тока от величины напряжения питания определяется выражением

, , т. е. ток I₁ линейно зависит от напряжения Е₀ и не зависит от напряжения E₁. Значит, выходной ток I₀ также возрастает, т.к. соотношение токов I₁ и I₀ остается неизменным.

При увеличении напряжения Е₁ нагрузочная прямая для второго транзистора будет смещаться вправо, при этом напряжение U_КЭ2 постоянно, следовательно, будет возрастать коллекторный ток I_К2=I₀.

Анализ полученных результатов

Даннаясхема генератора стабильного тока обеспечивает «отражение» заданного тока, проста в исполнении. Особенностями схемы являются:

1) зависимость выходного тока от параметров транзисторов VT2 и VT3, которая в интегральном исполнении практически не выявляется, но в дискретном может привести к существенному различию между токами I₁ и I₀;

2) зависимость выходного тока от стабильности напряжений питания, что приводит к необходимости проектирования источников стабильного напряжения;

3) недостаточная температурная стабильность выходного тока;

4) необходимость большого значения сопротивления R₁ для получения малого выходного тока, что неприемлемо в интегральном исполнении;

Стабильность схемы можно повысить, введя цепь отрицательной обратной связи.